CC BY
135
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ и автоматизация сельского хозяйства
УДК 631.171+[621.37/39:631.145]
А.М. Башилов, доктор техн. наук, профессор
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»
ПРИРОДОСООБРАЗНЫЕ, БИОАДЕКВАТНЫЕ АГРОТЕХНОЛОГИИ
и системо-метрическое, целеадаптивное управление производством
Системометрия агротехнологий — переход от невозможного к возможному. Аграрное производство — сложная многоуровневая, иерархически организованная система с периодическими возобновляемыми циклами агротехнологических процессов, подверженная действию двух мощных систем: природной (подчиняющей) и социальной (преобразующей). В результате этого аграрное производство, как самостоятельный структурно-функциональный организм, для сохранения своего рабочего алгоритма (генома) должно осуществлять приспособительнопреобразовательную деятельность, т. е. быть природосообразным и целеадаптивно управляемым (разумным, ноосферным).
Если аграрное производство не согласовано с природными условиями и социальной средой, то оно деградирует, теряет системность, отчуждается, расчленяется и погибает (банкрот). При наличии согласования оно развивается, эволюционирует, гармонизируется. В общем случае согласованность между системами проявляется в том, что донорно-акцепторные (производитель — потребитель, источник — приемник) связи между их объектами являются нормальными или нейтральными, но не антагонистичными.
Кроме того, если агропроизводственная система создает эксергетические, сверхвзаимовыгодные отношения за счет повышения своих качественных характеристик, то она работает более эффективно за тот же период времени и последовательно наращивает свою мощность (прибыль). Такая система сохраняется, работает устойчиво, так как выживает и продолжает существовать только то, что эволюционирует. При этом ускоряются решения всевозможных задач организации и управления производством и его технологиями. Возрастает память и скорость передачи информации на все большие расстояния. В результате развития происходит образование нового и разрушение старого, причем энергия созидания больше энергии разрушения. В этом и есть стратегическая перспектива развития.
Такая поведенческая модель самоорганизующегося аграрного предприятия более привлекательна. Рассмотрим эту модель подробнее и воспроизведем ранее сделанные определения [1, 2].
Агропроизводственная самоорганизующаяся система — это совокупность функционально, структурно и параметрически взаимосвязанных объектов с эволюционно и целенаправленно изменяемой формой адаптивно-приспособительных
13
и исполнительно-преобразовательных действий, которые реализуются на основе фундаментальных законов и закономерностей, отражающих эффективное взаимодействие объектов системы в достижении практического результата, наиболее полно удовлетворяющего реальной социальной потребности и внешним условиям природной среды.
Фундаментальные законы — правила структурно-функциональной организации аграрного производства и его технологий, нормированные алгоритмами (моделями) поведения, обязательные для жизнеобеспечения и успешного эволюционного развития. Для примера перечислим основные законы, детерминирующие поведение систем.
Закон существования — всякая система объектов, будучи выделена как некоторое целое из окружающей среды (которая может рассматриваться как внешний субъект действия системы) сохраняет свое состояние и функциональные особенности, пока и поскольку изменения внешних условий не принудят ее изменить их.
Закон воздействия — во внешней окружающей систему среде или внутри системы, всегда находятся периодически и апериодически повторяющиеся (чередующиеся) действия, влияющие на систему.
Закон преобразования — каждый объект системы в ответ на действия внешней среды или внутренние действия субъекта системы в зависимости от конкретно преодолеваемых воздействий всякий раз видоизменяет те или иные части своего целого и закрепляет (сохраняет) их в виде определенных функциональных особенностей, структурных формообразований и причинно-следственных связей.
Закон развития — каждый объект системы в результате многократного взаимодействия с окружающей средой или внутрисистемным субъектом самопроизвольно или целенаправленно устремлен к состоянию наиболее эффективного использования повторяющихся адаптивно-приспособительных реакций.
Закон переключения — каждый объект системы с целью поиска наилучшего варианта реакций, выбора альтернативы и исключения ошибок в последующих проявлениях «включает» сознание для выбора наиболее эффективных методов и средств действия или «отключает» сознание для максимально быстрой ответной реакции на воздействия окружающей среды или внутрисистемного субъекта, чтобы мгновенно реализовать отработанные реакции.
Закон приумножения — каждый объект системы может закреплять у себя и передавать ближайшему объекту-соседу или последующему объекту-наследнику информацию (опыт) об эффективных вариантах реакций на действия окружающей среды или субъекта действия.
Приведенные законы есть правила, упорядочивающие систему аграрного производства. Они
14
обеспечивают переход аграрного производства на качественно новый (эмерджентный) уровень развития. Порядок тем основательнее, чем больше он опирается на законы системной организации. В состоянии хаоса (распада) особенно отчетливо выявляются все плюсы и минусы системной организации производства.
Предшествующий период становления аграрного производства можно разделить на несколько этапов (скачков) развития межсистемных отношений «природа — агротехноценоз — социум»:
1) дикая природа — первичные агроценозы — отсутствие человека;
2) заселенные регионы — обозначенные агроценозы — участие человека;
3) слабо изученная природа — приспособленные агроценозы — антропогенное воздействие;
4) частично изученная природа — целеориентированные агротехноценозы — слабо информированное антропогенное воздействие;
5) системно изучаемая природа — природосообразные агротехноценозы — высоко информативное антропогенное управление.
Природосообразность агротехноценозов — эволюционный процесс и заключается он в биоадекватности (полном соответствии) объектов агротехноценоза природным обстоятельствам. В результате неразумного антропоцентрического применения техногенные агротехнологии оказались не согласо-ваными с природными условиями и обстоятельствами. Сообразовать агротехнологию с природой — значит сопоставить их между собой и сделать ее соответствующей природным обстоятельствам. Биологическая адекватность агротехноценоза и сообразность его окружающей природе обеспечивают гармонизацию отношений и устойчивое равновесное сосуществование, без нанесения взаимных потерь и ущербов. Лучший способ не навредить заключается в самоограничении, т. е. надо брать от природы и агрокультуры не более того, что они потенциально имеют. Максимальная продуктивность растений в конкретном регионе имеет только рекламно-информационное значение, так как создавать максимально благоприятные экологические условия в большинстве случаев экономически нецелесообразно или должно быть дополнительно субсидировано.
Неограниченные возможности системометрической оптимизации агротехнологий и производств. Рассматривая аграрное производство как систему, можно выделить совокупность укрупненных компонентов, принципиально необходимых для существования и функционирования системы:
5 = < { Ъ }, { 8* } , { ТесИ } , { Сопё } >, (1)
где 5 — структура целей; { Ъ } — совокупность целей функционирования системы; { 8^ } — совокупность
структур (производственных, организационных и т. п.), реализующих цели; { ТееИ } — совокупность технологий (методов, средств, алгоритмов и т. п.), реализующих систему; { Сопё } — условия существования системы, т. е. факторы, влияющие на ее создание, функционирование и развитие.
Представления о цели и формулировка цели зависят от глубины и стадии познания системной сложности аграрного производства, от внешних и внутренних факторов, от наличия приоритета главной объединяющей цели.
Агропроизводственная система с точки зрения моделирования системной сложности — это совокупность системных представлений с изменяющимся приоритетом главной цели. Отсутствие глобальной, метафизической цели существования системы приводит к неизбежным издержкам производства при изменении приоритетности целей функционирования. При замене глобальной цели существования требуются значительные преобразования структурно-функциональных элементов системы и это всегда экономически убыточно.
В связи с этим необходимо заранее и на долговременную перспективу ввести в модель агропро-изводственной системы метафизическую цель ее существования. На современном уровне постижения системной сложности агропроизводственных структур наиболее прогрессивным в этом отношении является выбор метамодели аграрного производства с функциями учета принципа энергетической экстремальности самоорганизации природы, определяющего общую направленность развития системы [3, 4], расширив ее распространение на техногенную сферу деятельности человека и общества.
Этот принцип формулируется следующим образом: «...живая природа самопроизвольно устремлена в своем развитии к наиболее полному использованию доступной свободной энергии (эксер-гии) в существующих условиях...». Дополним его фразой: «..., а техногенные инновации осознанно должны быть устремлены к этой цели.». Итак, эволюционный прогресс в живой природе и в техногенных инновациях объясняется развитием биоэнергетического совершенства. Информационное совершенство следует рассматривать как эффективное средство для реализации биоэнергетического. Принимая этот принцип за основной, следует постулировать его проявление на всех элементах системы, а взаимосвязь элементов живой и техногенной структуры рассматривать как синергетический, энергопреобразующий процесс. Главная цель совершенствования элементов системы — поиск
и выявление синергетических проявлений принципа самоорганизации.
Системометрия—это объективно-субъективное информационно-аналитическое отображение материально воплощаемой системы на разных стадиях ее существования. На рис. 1 приведена схема функционирования самоорганизующегося аграрного производства, информативно чувствительного к восприятию (измерению) собственной системной сложности и целеадаптивно управляемого на основе анализа результатов системометрии.
Системометрия необходима для самоидентификации системы и определения целеадаптивных функциональных возможностей в условиях изменяющейся динамики процессов природной и социальной среды. Самоидентификация — это оценка природосообразности, биоадекватности и целеадап-тивности поведения объектов агросистемы при выполнении проектируемых целей. Самоидентификация обеспечивается мониторингом объектов природной и социальной среды за счет установления их взаимосвязанности с объектами агросистемы.
Взаимосвязь между объектами агробиотехни-ческой системы можно представить в виде функционала, стремящегося к идеалу:
5 = F(A, R, 2, С, Т) ^ идеал «синергетика ЕЖ и ИЖ» , (2)
где 5 — структура цели; А — множество объектов системы; Я — множество связей между объектами; 2 — множество композиций связанности; С — среда; Т — период существования системы; ЕЖ — естественная жизнь; ИЖ — искусственная жизнь.
Основной признак идеала «синергетика» — уникальная взаимосвязь объектов агробиотехни-ческой системы, в результате которой достигается общий положительный эффект ЭМ, превышающий сумму положительных эффектов ^ЭМ всех объектов, действующих независимо, т. е.
Эм > ^ (3)
Синергетический эффект (гарантированная новизна) имеет двойственное значение: при практиче-
Рис. 1. Схема цикла многоразовых творческих актов совершенствования деятельности аграрного производства
ской реализации он проявляет себя в виде положительного (полезного) результата (потребительский эффект), а при сохранении алгоритма и условий его проявления в виде знаний он содержит положительную ценность, как отложенный (закрепленный в памяти) будущий результат (целенаправленный эффект).
При многократном воспроизведении и тиражировании (размножении и эволюции) синергетического эффекта вторая составляющая приобретает наибольшую значимость и доводится до автоматизма. Общий эффект мультипликативно прогрессирует:
э > эм+эи = Хэм + (ЭИ)N,
(4)
где N — степень приумножения эффекта за счет интеллектуальной составляющей Эи.
Идеал «синергетика» — прогрессивное развитие системы; он противоположен идеалу «распад» — регрессии (слому) системы.
В реальной практике не принято относить к системам совокупность действий для разового удовлетворения конкретной потребности. Системой также не является такая организация производства, когда для управления одним процессом стихийно и разобщенно принимаются все время различные решения. К системам обычно не относят одиночные внешние предметы и предметы непосредственного потребления.
Можно выделить три группы «несистем», которые представляются таковыми на основании привычного, обыденного, повседневного опыта и закрепились в этом смысле в реальной практике:
• нефункциональные совокупности — одиночные предметы, предметы непосредственного потребления, сложные нефункциональные предметы;
• функциональные совокупности — разовые, бесполезные, неопределенные по внутренней функциональной структуре, внутренним причинноследственным отношениям;
• полезные функциональные совокупности, привычные по воспроизводимым результатам и в силу привычности такого восприятия не требующие слежения за определенностью внутренних отношений.
При строгом научно-исследовательском подходе несистем не существует, однако, в обыденном, привычном, повседневном часть внешних вещей может быть отнесена к несистемам, и это соз-
дает дополнительные определенные удобства в реальной практике.
Целеадаптивный эффект имеет «начало» в конкретном деятельном акте (актогенезе), и только отрабатываясь в многолетних циклах агротехноценоза (в онтогенезе) и передаваясь в наследственных механизмах (база производства, база знаний) из поколения в поколение (в филогенезе), становится идеальным: синергетическим, энергоресурсосберегающим, наследуемым, социум-социальным (рис. 2, 3).
Кривые 1 и 3 (рис. 3) соответствуют изменениям времени реакции А1 и качества достижения цели К в онтогенезе для всех поколений агротехноценоза при отсутствии наследственной передачи опыта. Если же такая передача существует, то видно как из поколения в поколение постепенно сокращается начальное время реакции и продолжительность «отработки» (кривые 2) и увеличивается начальное качество приспособления при уменьшении времени достижения предельного значения Кшах (кривые
4). Идеальное последующее поколение, когда при первом же возникновении инновационного воздействия система в первом же деятельном акте достигает максимального возможного эффекта достижения цели (приспособления), т. е. констант £шЬ и Кшах. Это и есть характеристика наследуемого (тиражируемого) целеадаптивного эффекта.
Системометрическое, целеадаптивное управление агротехнологиями и производствами. Возможности человека наблюдать и осознавать функционально-структурную, динамическую сложность агробиотехнической системы весьма ограничены из-за: отсутствия способности длительно и непрерывно отслеживать поведение объектов сис-
К
К
Аг
К(Т) = К
Аг(Т) = 0
1 2
3
+ Т
б
Рис. 2. Целеадаптивные характеристики самоорганизующихся систем и области их существования на различных стадиях развития:
а — стадия разработки агротехноценоза; б — стадия совершенствования агротехноценоза; 1 — исходный образец системы; 2 — действующая система; 3 — надежная система; К — параметр цели (качества);
А1 — период адаптивной реактивности (оперативности);
Т — продолжительность существования; Кшах — максимальный уровень качества (вероятность достижения цели); Куд1, Куд2 — удовлетворительные уровни качества; А?ш1п — минимальный уровень адаптивной реактивности;
удовлетворительные уровни адаптивной реактивности
Аґ ,, Аґ --
уд1’ уд2
темы; недоступности наблюдать скрытые, структурно разветвленные объекты системы; неточности восприятия информации об объектах и ненадежности ее сохранения; ограниченности интеллектуальных способностей к анализу, синтезу и систематизации; отсутствия высокой чувствительности к обнаружению синергетических эффектов и их эволюции.
Большинство агропроизвод-ственных систем можно охарактеризовать как плохо организованные (диффузные). В такой системе не ставится задача определить все учитываемые компоненты и их связи с целями системы. Диффузная система управляется некоторым набором макропараметров, которые выявляются на основе выборочного анализа и в последующем распространяются на всю систему. В течение длительного времени значения этих макропараметров не корректируются и не сопоставляются с конечными результатами.
Идеальным «слепком» биотехнической системы будет ее полное отображение и воспроизведение в многомерном структурно-организованном информационном пространстве (единстве). Каждый объект системы и каждый акт взаимных связей должны стать носителями и передатчиками информации «о себе», приемниками и передатчиками информации «о другом», обеспечив мультимедийную и мультиагентную связь «всех со всеми». Глобальная по масштабам, тотальная по полноте и объемная по накопленным информационным фондам биотехническая система может быть неоптимальной при решении узкоспециализированных задач, но будет всегда открытой для решения изменяющегося «по жизни» спектра задач, для активного использования при организации-реорганизации, для обучения и управления.
При этом многие объекты открытой системы должны быть достаточно независимыми, находясь в окружающей (функциональной) среде они должны обладать собственным поведением, быть способными воспринимать информацию, обрабатывать ее на основе собственных ресурсов, взаимодействовать с другими объектами, противодействовать и действовать на среду в течение некоторого времени, преследуя свои собственные цели. Объект из пассивного состояния должен перейти в более активное, стать «умным».
Традиционная централизованная (жестко иерархическая) биотехническая система должна в таком случае реорганизоваться, делегируя часть своих функций по принятию решений ближе к испол-
Рис. 3. Закрепление целеадаптивного эффекта самоорганизующейся системой:
1, 3 — изменения времени реакции и качества достижения цели (адаптации) при отсутствии передачи опыта; 2, 4 — изменения времени реакции и качества достижения цели при наличие передачи опыта
нителям. Конструкция новой организации системы может выглядеть так: гетерархическая (иерархические структуры в разных местах, связанные жизненными циклами); матричная (сетевая, максимально приближенная к исполнителю, однородно расширяющаяся); горизонтально распределенная (плоская, минимум уровней иерархии, звездная); фрактальная (с подобными структурами независимо от масштаба, с горизонтальными самоорганизующимися связями).
Каждый жизненный цикл гетерархической системы привязывается и синхронизируется с приоритетным (проектным) целеадаптивным жизненным циклом всей системы. Процессы жизненного цикла основываются на принципах модульности (максимальная слаженность функций процесса и минимальная связь между процессами). Функции, которые осуществляются в жизненных циклах, определяются стадиями в зависимости от конкретных целей, результатов и набора действий, составляющих данный процесс.
От туманного представления до прозрачного видения системной сложности агробиотехниче-ской системы огромный путь. Наблюдатель (человек) системной сложности должен сливаться с агробиотехнической системой посредством организации программно-инструментального комплекса видеонаблюдения и видеоадминистрирования [5, 6].
Точное земледелие — это функция сближения человека с системной сложностью аграрного производства. В этом комплексе должны быть реализованы программно-инструментальные системометрические методы управления, направленные: на активизацию использования интуиции и опыта специалистов; на структуризацию целей системы, стремящейся к идеалу развития по законам самоорга-
низации; на визуализацию и наблюдение системной сложности агробиотехнических систем. Компонентами такого комплекса могут стать разрабатываемые в настоящее время региональные и сельскохозяйственные геоинформационные карты, аэрокосмический мониторинг, системы спутниковой навигации, инфокоммуникационные мобильные системы связи, электронно-оптические системы наблюдения, автоматизированные системы управления технологическими процессами и производствами, адаптивные агротехнологии, информационные базы данных и интернет.
Интеграцию этих системообразующих продуктов с элементами имитационного моделирования и системометрическими функциями целесообразно осуществлять с учетом фундаментального закона самоорганизации агропроизводственных систем, главным приоритетом которого является организация управления агропроизводственной системой на основе естественнонаучных знаний. Добыча этих знаний, последовательное и непрерывное их обогащение — «интеллектуальное золото» агропроиз-водственных систем. Интеграция тем совершеннее, чем выше синергетический эффект — «плотность» экономической эффективности.
Системный интегратор — самая важная профессия будущих самоорганизующихся агропро-изводственных систем. Системный интегратор — специалист, улавливающий наиболее важные целеадаптивные смыслы существования и развития агропроизводственных систем (агротехноценозов) и обеспечивающий системный резонанс совокупного взаимодействия для получения максимального целеадаптивного эффекта.
Современный технический рынок (техноценоз) насыщен разнообразным системометрическим оборудованием (сетей широкополосного проводного и беспроводного обмена данными, навигации, телеметрии и телемеханики, контроля параметров, дистанционного управления, мониторинга подвижных и стационарных объектов, автоматической идентификации, видеонаблюдения и визуализации), необходимым и достаточным для реализации единичных целеадаптивных актов или системных адаптивно-преобразовательных действий в структурах локально-дифференцированного или комплексно-интегрированного принципа организации.
Выводы
1. Современные агропроизводства и агротехнологии, как правило, не имеют сертификата соответствия природным и биогенетическим условиям их
применения, что обусловливает высокий уровень энергоресурсозатрат и низкий уровень экономической эффективности.
2. Управление агропроизводственными системами носит кусочно-локальный характер и сохраняет тенденцию к дальнейшей системной деградации.
3. Системометрия аграрных производств и управление на основе естественнонаучных знаний с учетом законов самоорганизации — залог устойчивого и прогрессивного развития.
4. Главная задача системометрии аграрного производства — определение целеадаптивных функций и синергетических эффектов взаимодействия объектов природной, биологической и техногенной среды (агробиотехноценозов).
5. Интеграция интеллектуальных ресурсов управления, баз знаний, программ поддержки принятия решений, инфокоммуникационных систем автоматизации аграрных производств должна осуществляться по схеме полного, своевременного и достоверного системометрического документооборота с тенденцией стратегического действия принципа непрерывного самосовершенствования.
6. Системометрическое, целеадаптивное управление природосообразными, биоадекватными технологиями и производствами должно обеспечить безопасность и защиту от того, что препятствует совершенствованию и поступательному прогрессивному движению вперед в соответствии с природным энергоресурсосберегающим законом самоорганизации.
Список литературы
1. Башилов А.М. Системологический анализ и определение самоорганизующегося агропроизводства // Науч. тр. ВИМ. — М.: ВИМ, 2003. — Т. 146. — С. 140-149.
2. Башилов А.М. Визуализация и наблюдение системной сложности точного земледелия / Машинные технологии производства продукции в системе точного земледелия и животноводства. — М.: ВИМ, 2005. — С. 207-213.
3. Свентицкий И.И., Башилов А.М. Теоретические начала системного развития информационной среды в АПК // Науч. тр. ВИМ. — М.: ВИМ, 2002. — Т. 143. — С. 16-23.
4. Свентицкий И.И. Энергосбережение в АПК и энергетическая экстремальность самоорганизации. — М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007. — 468 с.
5. Башилов А.М., Загинайлов В.И. Когнитивное и эволюционное моделирование синергетической организации биотехнических систем // Труды Х Международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении». — СПб.: ГПУ, 2006. — Т. 2. — С. 257-267.
6. Башилов А.М. Безграничные возможности инновационных технологий видеонаблюдения и видеоадминистрирования. — М: МГАУ, 2007.
