Природопользование с точки зрения законов развития технических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Природопользование с точки зрения законов развития технических систем

И.В. Борщевский

Аннотация

Предлагается методика построения прогнозов в области природопользования, основанная на объективных законах развития технических (искусственных) систем. Методика представлена в самом общем виде, но уже позволяет определить перспективные направления в некоторых системах природопользования, что проиллюстрировано несколькими примерами.

Анотація

Пропонується методика побудови прогнозів в галузі природокористування. Методика заснована на об'єктивних законах розвитку технічних (штучних) систем. Методика викладена у самому загальному вигляді, але вже дозволяє визначити деякі перспективні напрямки розвитку систем природокористування, що проілюстровано кількома прикладами.

Annotation

We suggest the methods of nature management forecast construction, based on the objective principles of technical (artificial) system development. These methods are suggested in their general form, nevertheless they already permit to determine challenging directions in some nature management systems. This fact is illustrated with several examples.

Знакомство с литературой по природопользованию (например, [1,2]) показывает что, основное ее содержание сводится к констатации фактического материала, а тенденции развития, т.е. прогнозирование, представлены в самом общем виде. Применяемые методы прогнозирования имеют ограниченный характер и хороши при построении краткосрочных прогнозов, и то, при условии, что система находится на линейном участке развития. Кроме того, отсутствуют объективные критерии оценки полученных прогнозов. В настоящей работе применен для прогнозирования в области природопользования подход, основанный на объективных законах развития систем. прогноз природопользование технический искусственный

В 1946 году в СССР Г.С. Альтшуллер начал разработку теории решения изобретательских задач - ТРИЗ. Один из основополагающих элементов этой теории - законы развития технических систем (ЗРТС) [3]. Под техническими системами подразумеваются искусственные системы, т.е. системы, созданные человеком (в отличие от природных систем, возникших независимо от человека).

Обязательными признаками системы являются функциональность, структура, организация и системное свойство [4]. Суть их в следующем.

Функциональность - все технические системы (ТС) созданы для выполнения определенной полезной функции.

Структура - в составе системы можно выделить ряд элементов, сохраняющих свои свойства при отделении от системы.

Организация - порядок (алгоритм) взаимодействия элементов.

Системное свойство - свойство, отсутствующее у элементов системы по отдельности.

Эффективным инструментом анализа и прогнозирования развития систем является системный подход, лежащий в основе ТРИЗ. Эту основу можно представить в виде набора следующих постулатов:

окружающий нас мир представляет совокупность взаимодействующих и развивающихся систем;

системы развиваются по собственным объективным законам;

эти законы познаваемы и могут быть использованы в практической деятельности;

развитие систем происходит через выявление, обострение и преодоление противоречий.

ЗРТС - основа ТРИЗ, ее смысловой стержень [5, 6]. Все остальное - дополнения и пояснения, инструменты и механизмы по реализации этих законов. Любая ТС в своем развитии обязана последовательно выполнить требования этих законов. Если эти требования выполнены, то развитие системы прекращается и она должна быть заменена другой, более совершенной (в смысле выполнения функции) системой. Попытки нарушить эти законы приводят к появлению технических уродов, вроде шагающих паровозов. Знание ЗРТС позволяет строить научно обоснованные прогнозы развития как отдельных систем, так и, соответственно, прогнозировать развитие целых классов систем.

Фундаментальные ЗРТС: Закон стремления к идеальности и Закон этапности развития систем.

Закон стремления к идеальности формулируется следующим образом: " Развитие систем идет в сторону повышения степени идеальности". Идеальность системы проявляется в отсутствии недостатков системы в виде массы, размеров, энергопотребления.

Таким образом, появляется объективный критерий, "компас", показывающий направление развития системы вообще и ее элементов в частности - в направлении снижения, вплоть до нуля, массы, размеров и энергопотребления. Отсюда возникает понятие "идеальная система" - системы нет, а функция ее выполняется.

Степень идеальности есть величина относительная и для конкретной системы определяется выражением:

И = _п / (З_ф + З_лпф )

где _п - сумма полезных функций, выполняемых системой; З_ф - сумма затрат на поддержание функционирования; З_лпф - сумма затрат на ликвидацию последствий функционирования.

З_лпф имеют скрытый, неявный характер и представляют особый интерес при изучении вопросов природопользования.

Дело в том, что при создании систем этот аспект выпадает из поля зрения ее создателей (или считается слишком отдаленным). Когда же проблема ликвидации системы и утилизации ее элементов встает во весь рост, то мы оказываемся часто совершенно не готовы к этому и начинаем предпринимать судорожные меры по решению этой проблемы. Характерный пример - выведение из эксплуатации АЭС и, в первую очередь их реакторов. Ведь логически рассуждая, это было известно с самого начала ядерной энергетики, но проигнорировано в расчете на непонятно что.

Пример. "Идеальная целлюлозно-бумажная промышленность (ЦБП) " - Промышленности нет, вырубки лесов нет, вредных отходов и загрязнения среды нет, энергозатрат нет, а "бумага" или то, что выполняет ее функцию, есть. "Бумага" в данном случае - термин, за которым скрыты системы с различными функциями. Рассмотрим следующую схему (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема, иллюстрирующая различные функции бумаги

Бумага как носитель краткосрочной информации, т.е. информации имеющей, в большинстве случаев разовый характер - квитанции, чеки, счета и т.д. Идеальный вариант - бумаги нет, а функция ее как носителя, выполняется. Основной недостаток в данном случае - разовое использование бумаги, после чего она идет в отходы. А ведь нам нужна, вообще то говоря, информация и бумага нас интересует только как ее носитель. Поэтому альтернативой будет система-носитель, позволяющая многократно записывать и, после считывания, уничтожать информацию. В настоящее время это позволяют осуществить электронные носители информации.

Бумага как носитель долгосрочной информации - это, в основном книги и т.п. Уже сейчас эти функции можно реализовать электронными средствами, хотя в области носителей с высокой плотностью информации, например репродукции с картин, бумага пока по экономическим показателям вне конкуренции.

Бумага как основа упаковочных материалов - это разные ящики, коробки, пакеты и т.д. разового употребления. Главная функция упаковки - предохранение товара при транспортировке и хранении. Вспомогательная - носитель информации о товаре, условиях транспортировки и хранения. Пока альтернативы по экономическим показателям нет, но в силу экологических аспектов проблема встанет очень остро в силу возрастания З_лпф.

Бумага для гигиенических нужд - пока альтернативы нет.

Отсюда видно, что исключение бумаги в качестве носителя информации приводит к значительному сокращению ее производства и, следовательно, к уменьшении вырубки лесов и сокращению отходов целлюлозно-бумажной промышленности.

Таким образом, закон стремления к идеальности прямо предупреждает о неминуемом этапе - ликвидации последствий функционирования системы и, в т.ч., утилизации ее элементов. Отсюда вывод - меры по их реализации должны быть проработаны изначально и затраты на них учтены при проектировании и эксплуатации. Или прорабатываться по мере развития системы.

Закон этапности развития систем - технические системы в своем развитии последовательно проходят три обязательных этапа развития. Этап 1 - возникновение (детство) системы; этап 2 - развитие (рост) системы; этап 3 - окончание развития системы (смерть системы, ее ликвидация). Все три этапа иллюстрируются кривыми жизни систем - основной (S - образной, рисунок 2 а) и рядом вспомогательных кривых.

Кривые эти имеют качественный характер. Физический смысл этих кривых следующий.

Кривая на рисунке 2 а показывает зависимость основного параметра системы Р от времени "жизни" системы. Появившись в момент Т = 0, система уже имеет показатель этого параметра Р = Р₀, обеспечивающий минимальное функционирование. В момент Т = Т₁ система начинает бурно развиваться, что связано с потребностью общества в данной системе. При этом параметр Р приближается к своему пределу Р_мах, обусловленному физическим принципом, заложенным в основу системы. При приближении к этому пределу система резко замедляет темпы роста. И тут возможны следующие варианты. Вариант "а" возможен в случае. когда у системы нет альтернативы и она медленно приближается к Р_мах за счет мелких и мельчайших усовершенствований. Вариант "b" означает, что альтернатива ТС2 появилась и реализовалась (пунктир на рисунке 2 а), а исходная система доживает свой век не изменяясь. Вариант "с" означает, что система изжила себя, но по каким-то причинам замены ей нет.

Кривая на рисунке 2 b показывает зависимость экономической отдачи системы Е на разных этапах развития. На этапе 1 система изначально убыточна, но в начале этапа 2 отдача уже становится положительной. На этапе 3 при отсутствии замены системы, отдача начинает падать; система становится сначала экономически неэффективной, а затем и убыточной.

Кривые на рисунке 2 с показывают зависимость затрат на функционирование системы З_ф и затрат на ликвидацию последствий функционирования З_лпф на различных этапах развития системы. Именно на этапе 3 начинают доминировать З_лпф.

Выявление перехода систем природопользования от этапа 2 к этапу 3 и минимизация затрат в широком смысле на ликвидацию последствий функционирования и есть актуальная задача науки.

Группы ЗРТС "Статика", "Динамика" и "Кинематика" содержат законы, показывающие пути и механизмы реализации фундаментальных законов в технике. В иных отраслях человеческой деятельности (искусстве, науке, экономике, природопользовании, предпринимательстве, социологии и т.д.) применение этих групп законов ограничено и имеет свою специфику. Рассмотрение этих групп законов в данной работе не производится; желающие могут ознакомиться с ними в [4].

Рисунок 2. Этапы развития систем

Попробуем рассмотреть с точки зрения ЗРТС такую отрасль как рыбный промысел.

Итак, этап 1. Лов производится в прибрежных районах с помощью простейших орудий лова. Конечно, эти орудия совершенствуются, но крайне медленно, т.к. улов удовлетворяет потребности рыбаков и их семей. Затем наступает этап 2 - потребность в рыбе возрастает, она необходима и остальному населению. Начинается промышленный лов рыбы во все возрастающем количестве. Что же является ограничителем роста темпов ловли? Первый предел - уровень естественного воспроизводства рыбных запасов. В пределах этого уровня лов рыбы практически не отражается на окружающей среде. Но темпы роста вылова продолжают увеличиваться. И естественный прирост не покрывает убыли. Пределом развития лова рыбы становится общее снижение поголовья в Мировом океане. Попытка сохранить объемы вылова приведут к исчезновению рыбы вообще.

Какой выход из создавшейся ситуации? Первое - снижение уровня лова до уровня в пределах естественного воспроизводства. Во- вторых этот уровень можно попытаться поднять за счет искусственного разведения рыбы. Но подъем этот не может быть значительным, т.к. приведет к перекосу в экологических нишах и, соответственно, к необратимым нарушениям в экобалансе океанской биомассы. И потребуются гигантские усилия и затраты для восстановления нарушенного равновесия.

С точки зрения Закона стремления к идеальности лов рыбы можно представить так: " Лова рыбы нет и лов рыбы есть ". Лова рыбы нет" - означает, что океанские экосистемы сохраняют природные тенденции. "Лов рыбы есть " - есть его результат, т.е. рыбные продукты поступают в рацион питания человека". Но вместо лова рыбы какая-то другая система должна выполнять ее функции. И эта система должна быть более эффективной по части производства рыбы как продукта питания, но иметь принципиально другую основу. В настоящий момент такая система неизвестна, но можно предположить, что в этой роли может выступить синтетическая пища, т.е. пища неприродного происхождения. Кстати, это будет решением общей проблемы снабжения населения Земли продуктами питания. Сегодня этот прогноз сродни фантастике, а завтра - кто знает. Ведь работы в этом направлении носят пока случайный характер.

Рассмотрим еще одну систему - добыча невозобновляемого ресурса, например, каменного угля. И здесь четко прослеживаются все три этапа развития систем. Этап 1 - начало угледобычи, техническое обеспечение самое примитивное, потребление ограничено. Этап 2 -резкий рост потребности в угле в связи с ростом промышленности. Конец этапа 2 - исчерпание пластов неглубокого залегания, падение экономической отдачи, угледобыча переходит на дотации. Альтернативы потреблению угля в качестве топлива нет, потребность в угле растет и поэтому общество мирится с убыточностью отрасли.

В обоих примерах видно четкую особенность - пределом развития систем являются ограниченность природных запасов.

Незнание ЗРТС порождает негативные явления природопользования. Особо интересен с этой точки зрения этап 3, когда исчерпаны все ресурсы развития системы. Неявность наступления этого этапа порождает иллюзию, что, проведя "косметические" мероприятия, можно улучшить деятельность системы. Одно из направлений такого "улучшения" - гигантизм, хотя это явный признак окончания развития и начала упадка системы (гигантские домны, самолеты-гиганты, промышленные и экономические комплексы - конгломераты). Наступление этапа 3 означает, что нужен закономерный переход к новой, альтернативной системе, основанной на других принципах функционирования. И тогда резко возникает непредусмотренная изначально необходимость больших затрат на ликвидацию последствий функционирования систем (рост числа бытовых и промышленных отходов, ликвидация химического оружия, необходимость утилизации ядерных реакторов, вывод шахт и карьеров из эксплуатации). Одним из эффектов природопользования является появление непрогнозируемых отрицательных явлений как результат образования новой вредной системы из элементов различных, не связанных явно систем (смоги, кислые дожди, аллергены).

В некоторых случаях последствия перехода к новым системам непредсказуемы, т.к. находятся за границами наших сегодняшних знаний (например - широкое распространение мобильных телефонов и влияние их излучений на человеческий организм в отдаленной перспективе).

Одним из инструментов прогнозирования, созданным на базе ТРИЗ, является программный продукт "Кассандра" (корпорация III, г. Бостон, США).

Выявить и спрогнозировать появление вредных явлений, а также определить пути их недопущения или эффективного устранения -должно стать в ближайшее время одним из главных проблем природопользования. Достигнуть существенных результатов в этом направлении поможет применение наработок ТРИЗ, в первую очередь, законов развития систем как объективного критерия оценки предлагаемых решений и полученных прогнозов.

Из выше изложенного можно сделать следующие выводы.

ЗРТС можно применять для анализа систем природопользования и прогнозирования их развития.

Особо актуальным вопросом нужно считать вопрос о прогнозировании перехода от этапа 2 к этапу 3.

Этап 3 в настоящее время при возникновении системы не рассматривается и его наступление, особенно в плане затрат на ликвидацию последствий функционирования, является полной неожиданностью и решения приходится принимать в спешке, причем не самые лучшие.

Предвидение этапа 3 позволит оценить масштабы затрат на ликвидацию последствий функционирования систем и заранее принять меры по их минимизации.

Системы природопользования в своем развитии не имеют четко очерченного ограничителя сверху, в отличие от техники, где это ограничение заложено в физические основы принципа действия.

В системах природопользования такими пределами являются уровень естественного воспроизводства и общий объем сырьевой базы.

Необходимы исследования по усовершенствованию методики применения ЗРТС как эффективного инструмента анализа систем природопользования и построения достоверных прогнозов с оценкой по объективным критериям.

Необходимы исследования по прогнозированию скрытых вредных явлений в природопользовании, выявлению последствий их возникновения и мер по их предотвращению.

Перечень ссылок

Стан світу 2000 / Л. Браун та ін. Переклад з англійської: ВГО "Україна". Порядок денний на ХХI століття" та Інститут сталого розвитку.- К.: Інтелсфера, 2000.-312 с.

Екологія і природокористування: Збірник наукових праць Інституту проблем природокористування та екології НАН України. - Дніпропетровськ, 2000. Вип. 2. -187 с.

Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука.- М.: Советское Радио, 1979.

Саламатов Ю. Система законов развития техники // Сб. "Шанс на приключение". - Петрозаводск: Карелия, 1991.- 304 с.

Альтшуллер Г.С. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач. - Новосибирск: Наука, 1986.

Альтшуллер Г. С. и др. Поиск новых идей: от озарения к технологии (Теория и практика решения изобретательских задач). - Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1989.

Размещено на Allbest.ru