ВИДОВАЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ МОДЕЛЬНОГО РЯДА ВЫПУСКАЕМОГО ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
,
преподаватель,
Институт управления, бизнеса и права,
г. Донецк, Россия
Работа предприятий в современных, конкурентных условиях предполагает постоянную заботу о повышении конкурентоспособности продукции, помимо повышения качества выпускаемой продукции важное значение играет снижение себестоимости производства. В этой связи, снижение энергоемкости производимой продукции в условиях постоянного роста цен на энергоносители, является актуальной задачей для отечественных предприятий. Избыточные мощности производственного, вспомогательного и обслуживающего оборудования увеличивают издержки производства и, следовательно, снижают конкурентоспособность предприятия.
Производители теплоэнергетического отопительного оборудования сталкиваются с серьезными проблемами, связанными со сбытом продукции, так как параметрические ряды выпускаемой техники во многом не отвечают современным требованиям. На уровне исследовательских и опытно-конструкторских работ необходимо применение научного подхода к формированию параметрических рядов выпускаемого оборудования с учетом как уже имеющегося, перспектив замены выбывающего, так и тенденций развития рынка.
Идеальное гармоничное сочетание технических изделий в рамках определенной территории, которое минимизирует суммарные затраты (физические и экономические) возможно в объекте ценологического типа, отличительной чертой которого является специфическая связь между его элементами.
Под техноценозом понимается ограниченная в пространстве и времени взаимосвязанная совокупность далее не делимых технических изделий, объединенных слабыми связями [1,2]. В настоящее время существуют теоретические и эмпирические наработки, подтверждающие объективно существующую взаимосвязь между параметрическими характеристиками технических изделий, с одной стороны, и количеством этих изделий в техноценозе – с другой. Чем более технически сложным, дорогостоящим, уникальным является техническое изделие, тем меньшее их количество должно входить в устойчивый техноценоз [2,3].
Таким образом, технические параметры изделия во многом задаются степенью массовости этих изделий в техноценозе. Отклонение технических параметров и количества изделий в ту или иную сторону может повлиять на устойчивость системы в целом.
Применимости техноценологического метода для описания и оценки видового и параметрического состава отопительного газоиспользующего оборудования (ОГИО) рассмотрено на примере выделенной административно-территориальной системы – города Каменск – Шахтинского Ростовской области.
Совокупность теплоэнергетического газоиспользующего оборудования города является техноценозом, так как, во-первых, данный ценоз ограничен в пространстве - общее количество теплоэнергетического газоиспользующего оборудования города включает в себя более семи тысяч функционально обособленных особей, не связанных друг с другом сильными связями. Во-вторых, существует единая инфраструктура, включающая в себя систему обеспечения топливом, а также систему контроля эксплуатации и обеспечения функционирования.
Построим на основе имеющейся информации о парке ОГИО ранговые и видовые распределения. При его построении единицей является отдельный вид ОГИО (котел, воздухонагреватель), на который имеется своя конструкторско-технологическая документация. Первый ранг занимает самый многочисленный вид техники, вторую строчку занимает следующий по численности вид и так далее вплоть до уникальных видов, количество которых равно единице. Всего в техноценозе присутствует более семи тысяч единиц (особей) ОГИО. Большую часть его составляют водогрейные и паровые котлы. Виды ранжируются по убыванию, рангом является порядковый номер вида. Все особи одного вида не различимы. Последний номер S(r=81) определяет число видов в исследуемом ценозе. Численность популяции может принимать значения от 1 до 3125, причем imax=3125 – самый многочисленный «саранчовый» вид, r=1.
Ранговое видовое распределение удобно изображать в графической форме. Оно представляет собой совокупность точек, каждой из которых соответствует определенный вид газоиспользующей техники, причем, ось абсцисс соответствует рангу вида, а ось ординат – числу особей, которым этот вид представлен.
Проведем параметрическую и номенклатурную оптимизацию выделенного техноценоза, для этого осуществим основные оптимизационные процедуры. Определение направления трансформации рангового видового распределения основывается на понятии об «идеальном» распределении. Задача заключается в подборе аналитической зависимости, наилучшим образом описывающей совокупность точек.
В качестве стандартной формы целесообразно задавать гиперболическое аналитическое выражение вида (формула 1):
Λ(r)=
. (1)
где Λ – количество видов;
r – видовой ранг;
В и β – параметры, которые определяются в результате аппроксимации.
Наиболее распространенным и традиционным является решение методом наименьших квадратов. Его суть заключается в отыскании таких параметров В и β, которые минимизируют сумму квадратов отклонений реально полученных в ходе рангового анализа техноценоза эмпирических значений от значений, рассчитанных по формуле (1). Для удобства расчета целесообразно использовать пакет MathCAD.
Для наглядности и возможности сравнения результатов на графическую форму рангового распределения наложен график функции с полученными в результате расчета параметрами В и β (рисунок 1). Пунктирной линией показаны экспериментальные значения, сплошной – теоретические. Для удобства восприятия распределение представлено также фрагментами с увеличенным масштабом. В соответствии с законом оптимального построения техноценоза, оптимальное состояние достигается при β = 1. Но это распространяется лишь на некий функционирующий изолированно идеальный техноценоз. Как показал многолетний опыт исследования техноценозов из различных отраслей человеческой деятельности, наилучшим является такое его состояние, при котором в аппроксимирующем выражении рангового видового распределения (1) параметр β находится в пределах 0,5
β 1,5 [3,4].
Рисунок 1 - Теоретический и экспериментальный графики рангового видового распределения ОГИО
На графике можно выделить несколько характерных участков. Первый участок слева от точки R1(4;50) представлен тремя видами ОГИО – это бытовые котлы предназначенные для обеспечения теплом индивидуальных жилых домов, помещений и зданий площадью до 270 м2, оборудованных системами водяного отопления. Второй участок – справа от точки R1(4;50) до точки R2 (21;4). Здесь представлена неоднородная группа из семнадцати видов ОГИО как бытового, так и промышленного назначения. Для достижения оптимального состояния техноценоза, согласно закону оптимального построения техноценозов [4] необходимо увеличить разнообразие. В следующую группу – участок справа от точки R2 (21;4) до точки R4(1;58) вошло тридцать семь видов ОГИО как промышленные, так и бытовые, здесь необходимо проводить унификацию и уменьшить разнообразие видов. Последний участок справа от точки R4(1;58) включает двадцать три вида, в основном бытового назначения. Для оптимизации здесь также необходимо провести унификацию.
Графически видовое распределение ОГИО представляет собой совокупность точек, каждой точке соответствует определенная каста ОГИО, ось абсцисс соответствует возможному количеству особей в виде, а ось ординат – количеству видов, имеющих данную численность. Дальнейшей задачей является подбор аналитической зависимости, наилучшим образом описывающей эмпирические данные способом описанным выше.
Второй процедурой оптимизации является устранение аномальных отклонений от аппроксимационной кривой на видовом распределении. При этом кривая строится, методом наименьших квадратов по данным табулированного рангового распределения.
Для наглядности и удобства восприятия на график видового распределения также наложим график функции с полученными в результате расчета параметрами ω и α . Пунктирной линией показаны экспериментальные значения, сплошной – теоретические (рисунок.2).
Рисунок 2 - Теоретический и экспериментальный графики видового распределения ОГИО
Выделим на графике характерные участки. Первый участок находится слева от точки R1(5;3), в него вошли более 84% всех видов ОГИО. В целях оптимизации необходимо провести уменьшение разнообразия видов с мощностью популяции от двадцати шести до двенадцати видов. Второй участок располагается справа от точки R1 до точки R2 (1527;1), в него попали популяции мощностью один - два вида. Здесь в целях оптимизации необходимо увеличивать разнообразие видов. Третий участок находится справа от точки R2, в него попали популяции, представленные одним видом, в целях оптимизации необходимо уменьшить разнообразие видов.
Далее необходимо провести верификацию номенклатурной оптимизации техноценоза. Особенностью ОГИО является значительный, зачастую десятки лет, срок службы. Имеющаяся статистическая информация не позволила отследить существенных изменений технической системы (ценоза) во времени. В этой связи верификация номенклатурной оптимизации не проводится.
Первые три оптимизационные процедуры относятся к номенклатурной оптимизации. Четвертая – параметрическая оптимизация является дополнительной к предыдущим процедурам оптимизации. В качестве видообразующего параметра выбрана тепловая мощность ОГИО – данный параметр наиболее полно характеризует исследуемый техноценоз, а также позволяет дать конкретные рекомендации по разработке и модернизации существующих видов техники. Первый ранг присваивается особи, имеющей наибольшую тепловую мощность (Гкал/час) среди особей, второй ранг присваивается особи, имеющей наибольшую тепловую мощность кроме первой и так далее.
В ранговом параметрическом распределении каждой точке графика будет соответствовать не вид техники, а особь. Уравнение аппроксимирующей кривой наиболее точно описывающей эмпирические данные имеет вид (формула 2):
(2)
где W – параметр распределения (тепловая мощность);
r – параметрический ранг;
параметры распределения W0 = 1, β = 0,13.
Как и в случаях с ранговым видовым и видовым распределениями на график рангового параметрического распределения (3) наложим график функции с полученными в результате расчета параметрами W0 и β , а также представим фрагмент с увеличенным масштабом. Пунктирной линией показаны экспериментальные значения, сплошной – теоретические (рисунок 3).
Параметрическая оптимизация предполагает целенаправленное изменение параметров отдельных особей, приводящее техноценоз, к более устойчивому и, следовательно, эффективному состоянию.
Рисунок 3 - Теоретический и экспериментальный графики рангового параметрического распределения.
Теоретически доказано, что между процедурами номенклатурной и параметрической оптимизации существует взаимосвязь – обе они являются разными сторонами одного процесса. Номенклатурная оптимизация, предполагающая изменение набора видов ОГИО приближает видовое распределение к форме, близкой канонической, и задает конечное состояние техноценоза, параметрическая же оптимизация определяет детальный механизм этого процесса [4].
Таким образом, можно вести речь о задании комплекса требований на разработку нового и модернизацию действующего ОГИО. Необходимо также помнить о взаимосвязи между численностью видов ОГИО и уровнем их видообразующих параметров (например, тепловой мощности).
Оптимизация может осуществляться не только за счет изменения параметров, но также и путем изменения численности особей данного вида в техноценозе. Как указывает ряд авторов [4,5,6], есть основание полагать, что параметрическая оптимизация в техноценозе является зачастую самодостаточной процедурой и обеспечивает улучшение, в том числе и видового разнообразия. Требования к форме кривой видового или рангового видового распределения, можно распространить на совокупность ранговых параметрических распределений данного ценоза. При этом появляется возможность судить об оптимальном состоянии. При избыточной унификации ноеву касту необходимо расширять за счет видов, популяции которых насчитывают две и более особей. При избыточной асортице, наоборот, из ноевой касты необходимо исключить часть видов.
Ранговое параметрическое распределение в нашем случае далеко от канонического. Слева от точки R (38; 0,64) рангового параметрического распределения расположены особи с высоким ранговым показателем – это промышленные ОГИО предназначенные для теплоснабжения крупных предприятий или ЖКХ. Значительный разброс ранговых показателей объясняется проводимой ранее государством политикой по централизации теплоснабжающих предприятий. Совершенствование параметрической структуры техноценоза предполагает оптимизацию мощностных показателей группы, расположенных слева от точки R за счет особей с наибольшим параметрическим показателем.
Таким образом, совокупность ОГИО в г. Каменск-Шахтинском представляет собой техноценоз, подчиняющийся законам построения техноценозов и описывающийся гиперболическим распределением. Ценоз построен не оптимально, однако оптимизационные процедуры позволяют привести его к каноническому виду.
Полученные результаты предполагается учитывать при формировании технического задания на выпуск ОГИО. При формировании модельного ряда необходимо учитывать как уже сложившегося парк аналогичного оборудования, так и научно обоснованный состав данного оборудования, прогнозируемый с помощью техноценологического подхода.
ЛИТЕРАТУРА
1. И. Техногенная самоорганизация. Для технариев электрики и философов. (Материалы к конференциям 2004 года). Вып.25. «Ценологические исследования». – М.: Центр системных исследований, 2005. – 248 с.
2. И. Классика технических ценозов. Общая и прикладная ценология. Вып. 31. «Ценологические исследования». Томск: ТГУ – Центр системных исследований, 2006. – 220 с.
3. В. Основы теории динамики структуры ценозов// Математическое описание ценозов и закономерности технетики. Ценологические исследования. Вып. 1. Абакан: Центр системных исследований, 19с.
4. Гнатюк В. И. Закон оптимального построения техноценозов – М.: ТГУ – Центр системных исследований, 2005 – 2008.-560 с.
5. Кузьминов А. Н., , Результаты исследования региональной рыночной среды типичного среднего города России// Философские основания техники. – М.: Центр системных исследований, 2002, 628 с.
6. Колбачев Е. Б. Управление производственными системами на основе совершенствования и развития информационно-экономических ресурсов. – Ростов-на Дону, СКНЦ ВШ, 2003, 496 с.
