Системы

Что же такое “Интеллектуальные энергетические системы”. А что же такое “системы”? Почему “системы”? И, собственно говоря, об энергетике как системе, о том, что такое система. Потому что без опоры на какие-то базовые представления о системе, о системности как определенном нашем взгляде на то, как мы взаимодействуем с окружающим миром и как создаем, и управляем сложностью, без понятия “системы” сейчас говорить трудно. Оно очень распространенное и даже входит в название нашего курса и нашего стенда “Интеллектуальные энергетические системы”. Итак, про “систему”.

Прежде всего, “системы” - это множество элементов взаимосвязей. Все, казалось бы, просто. Но почему же это не просто? Потому что с количеством элементов растет количество связей, а если связи сложные и множественные, то это огромное увеличение сложности, которое растет очень быстро с ростом числа элементов, и наше представление о каждом из элементов просто перестают в этот момент работать. Возникает такой взгляд на систему и такое свойство системы, так называемая эмерджентность. Это то, что такое система, какие свойства в ней появляются в тот момент, если мы рассматриваем ее не как сумму элементов. Что появляется большее, чем сумма составляющих ее элементов. И вот это обнаружение того, что возникает это новое свойство, является одним из базовых понятий, если мы говорим о системе, как нашем способе глядеть на мир. 

Нашим самым простым примером являются встречающиеся рядом с нами живые системы. Если мы разделим, например, корову или кошку на составные части, потом сложим, получится какая-то беда, что-то там из этой системы исчезнет. И вот это ясное, хотя и очень сложное и не очень понятное для нас свойство живого - жизнь, и является типичным примером несводимого эмерджентного свойства. Ничего с этим нельзя сделать, оно живое пока система, как только перестает быть системой, перестает быть живым. И это нам очень понятно, мы с этим встречаемся всегда. Но в какой-то момент, по мере развития нашей цивилизации мы встретились и с тем, что те системы, которые мы создаем своими руками, технические системы, тоже начали обнаруживать в себе свойство эмерджентности, появления чего-то нового, того, что не сводится к отдельным частям системы. И по большому счету, обнаружение этих свойств - это важный тип взгляда на систему.

Следующий тип взгляда на систему - это цельность и цель. Система цельная, потому что она целеположенная, она функционирует и приходит к определенным результатам своей деятельности, то есть к осуществлению своей цели. Эта цель может быть периодическая, воспроизводимая. По большому счету, главное - просто увидеть, что система - она целеположенная. И цельность ее состоит в том, что она двигается к цели. И если мы видим систему, которая рассыпается, то прежде всего мы видим как она рассыпается по отношению к той цели, ради которой она создана, или которая в нее заложена, если это живая система. 

Еще важная часть взгляда на систему, это то, что система - это взгляд на что-то, выделенное нами из мира как целого, и в этом отношении существует определенная граница системы и окружающего мира. Важным свойством этой границы является так называемая обратная связь. Это то, как система обменивается с миром, и то, что в ответ она получает от мира. Из всего, из всех потоков через границу системы, тема обратной связи является важной с точки зрения управления. И, собственно говоря, система как управляемый элемент - это, прежде всего, взаимодействие с обратными связями, и с тем, что не только материальные потоки, но и информационные потоки, для системы являются входами и выходами, и граница системы находится как в материальном мире, так и в информационном пространстве. И оба эти аспекта взгляда на системы важны. 

Что касается энергосистемы, то я хотел бы сразу обратить внимание на то, а что же такое энергосистема, и чем можно ее охарактеризовать коротко. Для чего она, что она дает, что не возникает в сумме отдельных ее элементов. Ну, прежде всего, энергосистема дает надежность энергоснабжения. Это очень важная часть, и в других частях нашего курса мы уже говорили о том, насколько важна надежность, насколько представление о надежности является одним из базовых представлений об энергосистеме, и почему мы называем энергосистему критической инфраструктурой. Да просто потому, что от того, насколько надежно наше энергообеспечение, может зависеть в той или иной мере жизнь или благосостояние людей. И дальше в курсе вы познакомитесь с тем, как решаются эти задачи, но также когда будете изучать, сможете обратить внимание, насколько логично построены правила работы с системой, правила взаимодействия, и как по степени связанности с жизненными функциями выстроены разные категории энергоснабжения. 

Прежде всего мы можем обнаружить, что есть те места, где от качества энергоснабжения непосредственно зависит человеческая жизнь. И самым простым примером является реанимация или операционный блок больницы, там прекращение энергоснабжения может быть прямой угрозой. Существуют большие дорогие сложные системы, остановка энергоснабжения которых ведет к их потери, то есть в этот момент возникает угроза жизни большим техническим системам, которые зависят от энергоснабжения, и это может очень сказаться на нашем общем благосостоянии, на благосостоянии территорий, регионов, городов. Типичным примером является алюминиевый завод. Если вы остановите его энергоснабжение на достаточно длительный срок, то вам нужно будет его перестраивать. Запустить его обратно не получится, останутся только коробки зданий, все важное дорогое сложное оборудование придет в негодность. Таких примеров много, и это то, что связано с благосостоянием. И есть попроще ситуация, когда отсутствие энергоснабжения просто вызывает некоторую неприятность, иногда достаточно сильно эмоционально задевающую, например, когда наш телефон в важное для нас время вдруг садится. Это типичный пример проблем с энергоснабжением, и в этот момент конечно мы очень интересно видим пример того, что такое возобновляемая энергетика и что такое длительная неприятность с энергоснабжением, потому что если мы через пятнадцать минут где-то можем подключиться к розетке, включить и через оговоренное нормальное время у нас энергоснабжение возобновляется. Если оно не начинает нам доставлять уже сильных неприятностей, которые сравнимы с личным благосостоянием, то в общем все нормально, мы испытываем некоторые неприятности, ну и ладно.

И таким образом, я сейчас показал, что э нергетика строится вокруг надежности энергоснабжения. Для того чтобы обеспечивать надежность, необходима устойчивость, потому что энергосистема - сложный постоянно меняющийся объект, и в ней все время происходят разные изменения, ее необходимо балансировать, и тут возникают разные задачи. Например, для того, чтобы ее балансировать, необходима диспетчеризация, для того чтобы у нас у каждого в розетке были наши 220 вольт 50 герц, или в других странах немножко по-другому, но все-равно оговоренное друг с другом напряжение, которое позволяет работать тем приборам, которые к системе подключаются, работать установленным образом, так как они задуманы. Потому что все электроприборы в основном построены из предположения, что есть какие-то нормы энергопотребления. И если какие-то электронные приборы сейчас допускают большой разброс, потому что им нужно небольшое напряжение, 5-12 вольт, компьютеры, и можно включить компьютер, телефон в любую розетку в любой стране, и в общем-то нормально, потому что с любого напряжения до малого напряжения понизить можно, то какие-то значимые инструменты, например, те же электродрели, холодильники, они в каждой стране уже индивидуальны, потому что там достаточно большая мощность, и нам нужно все напряжение, которое есть в розетке. Вы можете обнаружить как ваш холодильник или стиральная машина вдруг могут быть уничтожены каким-то из бросков напряжения, причем по-разному. Стиральная машина может погибнуть от того, что ей недостаточно напряжения, а большинство приборов погибают от того, что происходит скачок напряжения, резкое его повышение. Эта надежность электроснабжения, это устойчивое соблюдение параметров и является предметом диспетчеризации и этой части устойчивости. 

Но в энергосистеме могут происходить и события, которые не являются нормальной работой системы, но являются предусмотренными, в силу того, что мы имеем дело с определенными элементами, которые подвержены разным процессам старения, изменения своих свойств с течением времени, и что, как правило, приводит к неким так называемым аварийным ситуациям. Для того, чтобы предотвратить последствия аварийных ситуаций, расширение этих последствий, существуют системы защиты и автоматизации в энергосистеме. А для того, чтобы быстро ликвидировать эти последствия, существует система, которая уже социотехническая, которая обеспечивает разные ремонты, например аварийные ремонты на линиях. Это ремонтные бригады, везде, в каждой энергосистеме существуют либо встроенные в энергосистему для быстрых ремонтов, либо стоящее рядом на данный момент какое-то предприятие, которое осуществляет действия в случае аварии для того, чтобы восстановить систему, но в этот момент, с одной стороны, происходит работа по балансировке системы, и надежность начинают обеспечивать другие элементы энергосистемы, и, с другой стороны, происходит восстановление этой системы. Через некоторое время тот элемент системы, который вышел из строя, вновь возвращается в строй. А также система расширяется, развивается, и возникают различные системные вещи. 

Здесь эмерджентность касается уже третьего аспекта - эффективности использования ресурсов за счет того, что на больших станциях, специальных сложных специализированных агрегатах мы, например, можем обеспечить более высокий коэффициент полезного действия, то есть степень преобразования исходных типов энергии в электрическую и тепловую энергии. И таких находок, таких системных вещей в энергосистеме много. Типичным примером является электростанция, которая усложняется, и если вы имеете дело с газовыми станциями, они постепенно эволюционировали. Если это раньше была теплоэлектроцентраль, которая давала определенный коэффициент полезного действия, но достаточно небольшой в силу самого цикла, то на данный момент мы научились работать с гораздо более сложными системами, это парогазовые установки, где уже электростанция состоит из газовой турбины, как турбина самолета, только большая и с еще большим качеством преобразования энергии сгорания газа в тепло. На хвосте у этой системы стоит обычная тепловая станция, обычные котлы и турбины, и оставшуюся часть уже низкопотенциальной энергии мы преобразуем в тепло. Эти станции уже позволяют достигать коэффициентов полезного действия порядка 65-70%. Это очень большой коэффициент. А если учесть наши человеческие наработки по совместному тепло- и электроснабжению, то мы часть низкопотенциальной энергии потом можем использовать в качестве тепла: обогрева и горячей воды. Таким образом, коэффициент полезного действия еще увеличивается, фактически доходя до достаточно больших цифр, но это уже системный эффект, и без теплоснабжения его нельзя решить. Это уже не физические свойства, это социальные, технические свойства системы, которую мы собираем специально таким образом, чтобы использовать все наши невозобновляемые ресурсы на то, чтобы преобразовать их в энергию, во всяком случае, как можно больше. И вот эта ресурсоэффективность является тоже очень важным элементом эмерджентных свойств системы.

Я хотел бы еще проговорить определенную тему, которая связана с различными способами взглянуть на систему. Я говорил об основных способах, а о том, какие системы бывают, как можно увидеть, чем они отличаются друг от друга, и как можно уже настроить свое восприятие системы, как мы на нее смотрим. Потому что, в зависимости от того, каким образом мы на нее смотрим, мы видим те или иные свойства, вспоминая, что системность - это, все-таки, отражение системы в нашем восприятии и сознании. И то, каким образом мы ее воспринимаем, тоже важно. В зависимости от того, на какой аспект, с какой стороны мы смотрим, мы те или иные моменты можем увидеть или не увидеть, потому что цель определяет в том числе и наше восприятие, с какой целью мы смотрим на систему как другая система, как живая система, мы можем увидеть разные ее свойства. Прежде всего, можно посмотреть на деление систем на живые и технические, то есть те, которые возникли в процессе эволюции жизни, и те, которые созданы руками человека уже как продолжение его рук, глаз, органов восприятия или орудий. И тогда можно увидеть, что эти системы отличаются друг от друга целью. И если живая система, она сама во многом, хотя и в достаточно узком диапазоне, но в каком-то диапазоне целеполагания сама определяет свои цели, то в технической системе цели определены ее создателем. С другой стороны, они отличаются по типу гомеостаза - тому как они поддерживают свою целостность и возможность приходить к цели или, по-другому, к результатам своей деятельности, к полезным результатам деятельности. Тут также мы видим, что созданные человеком системы имеют предопределенный гомеостаз, достигается это, в основном, за счет определенных инструментов надежности, запасов прочности. А живые системы могут себя поддерживать и восстанавливать, и имеют адаптивный способ гомеостаза, они меняют себя для того, чтобы соответствовать окружающему воздействию. Можно смотреть, и в этом отношении как бы подглядывать у живой природы какие-то подсказочки о том, как можно расширять устойчивость, расширять адаптивность системы, а с появлением информационных технологий эта задача становится еще более интересной, потому что мы какие-то элементы поведения живых систем можем моделировать с помощью возросшей мощи информационных систем.

Также я хотел обратить внимание на то, что важно видеть, с какого уровня я смотрю на систему. Увидеть, что система, не просто набор связей и элементов. Система сама, в свою очередь, может состоять из систем, которые называются в этом случае подсистемами, и большие системы, такие как энергосистема, это системы систем. И можно в ней увидеть техническую часть системы, можно увидеть в ней отдельные функциональные компоненты, функциональные системы, которые создаются для решения определенных задач, как например, генерация, передача и распределение энергии, и тут границей системы является граница потребителя, и если потребитель простой, это домохозяйство, то это простая граница, а если он сложный, то возникает энергосистема предприятия, и внутри самого предприятия тоже существует функциональная система, предназначенная для того, чтобы работать уже с внешней энергосистемой и служить для нее понятным и удобным интерфейсом.

Также можно увидеть, что существуют системы социальные, что наше взаимодействие друг с другом тоже образуют определенные системы. Мы тоже договариваемся об определенном целенаправленном поведении, возникает цельность, возникает эмерджентность, и целиком энергосистему можно уже увидеть как социотехническую, в которой существует огромное количество разных аспектов и взглядов, мы можем смотреть на нее с точки зрения экономики, мы можем смотреть на нее с точки зрения техники, оборота ресурсов, с точки зрения надежности, баланса, определенных функций, ее географического расположения, и таким образом, можно увидеть, наконец, что энергетика - это огромная взаимосвязь разных человеческих знаний, которые предназначены для решения, с одной стороны, вроде бы очень простой потребности, но как только возникает требование надежности, бесперебойности энергоснабжения, эта задача вдруг оказывается сложной, многофакторной. И человеку, который работает с энергосистемой, придется иметь дело с огромным количеством разных человеческих знаний, и в этом случае очень важно хотя бы для себя структуру этих связей представлять. 

Ну и по взаимодействию со средой, как я уже говорил по обратной связи, мы можем увидеть, что система может быть замкнутой, может иметь понятные входы и выходы и может быть открытой. Вот человек, например, представляет из себя открытую систему. Это означает, что малое воздействие на систему может привести к сильной реакции, к сильному ответу от системы. Живые системы, например, характеризуются тем, что их ответ на раздражение может кратно, в разы превышать силу воздействия.

Этот объем взглядов, который мне хотелось бы для начала дать по поводу системы, системности и по поводу того, как она применяется в энергетике, и обнаружить, что в энергетике тоже какие-то аспекты ее взаимодействия с внешним миром являются проявлением открытой системы, а где-то у нас существует замкнутая система. Это важно видеть. Есть разные системы, например, та же атомная станция, для нее очень важна замкнутость, это важное свойство. Планировать, проектировать системы нужно по-разному.

Для размышления

Рассмотрите имеющиеся вокруг системы. Какие эмерджентные свойства, по-вашему, являются ключевыми для этих систем? 

Продвинутый вариант: часть того, что вы увидели как системы, по факту, не имеют эмерджентных свойств (если без натяжек). Что отличает систему от структурированного набора невзаимосвязанных элементов?

Материалы

• Богдан Колчигин “15 минут о теории хаоса”
• Текст научной работы на тему «П. К. Анохин - создатель теории функциональной системы (к 120-летию со дня рождения академика Петра Кузьмича Анохина)» М.М. Лапкин, В.А. Кирюшин, Н.А. Козеевская
• Г. П. Щедровицкий. Перспективы и программы развития СМД-методологии. Часть 1.