Технологический комплекс АПК как объект синергетики Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

производство

I

1

УДК 631.1

Панфилов В.А., академик РАН

Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКС АПК КАК ОБЪЕКТ СИНЕРГЕТИКИ

Решение проблемы продовольственной безопасности в технологическом и техническом перевооружение агропромышленного комплекса страны, которое позволит обеспечить интенсификацию всех производств в АПК, то есть увеличить производство продукции за счёт применения принципиально новых технологий и машин.

До настоящего времени в отечественном АПК производство продуктов питания (пищевая промышленность) и производство сырья для неё (сельское хозяйство) функционируют независимо друг от друга. При этом многие технологические проблемы пищевых производств всегда решались, как правило, за счёт так называемой «адаптации» сельскохозяйственной продукции к машинам и аппаратам пищевых технологий путём отбора из общего количества части сырья, подходящего по кондициям.

Настало время под «адаптацией» сельскохозяйственного производства к пищевым технологиям понимать не отбор части произведенной сельскохозяйственной продукции, а её производство с заранее оговорёнными параметрами и допусками на них. Более узкие допуски параметров сельхозсырья на входы технологических процессов перерабатывающих и пищевых производств при высокой технологической дисциплине должны обеспечить не только необходимое качество продукции, но и стабильность как отдельных процессов, так и технологического потока в целом, а, следовательно, эффективность производств АПК.

Применяемые в настоящее время методы стабилизации производственных процессов пищевых производств путём оперативного реагирования на внешние возмущения уже во многом исчерпали себя. Машинные технологии в виде поточных линий, созданные в 30е-80е годы XX века, представляют, по существу, первое и пока единственное поколение таких технологий. Создание линий второго и следующих поколений связано с разработкой систем саморегуляции, что само по себе исключительно сложно. Отклонение параметра процесса от номинала может происходить в зависимости от мощности внешнего воздействия с различной скоростью. В этой связи встаёт задача учёта динамического фактора того или

иного процесса, чтобы ещё при незначительной величине начавшегося отклонения выработать управляющее воздействие с необходимым упреждением. Другими словами, необходима очень сложная система автоматики, которая значительно снижает надёжность функционирования технологического потока. Реальный путь - создание системного комплекса путём включения в него технологической системы соответствующего сельскохозяйственного производства, то есть переход к аграрно-пищевым технологиям продуктов питания.

Структурное усложнение технологии отнюдь не исключает её функциональную простоту, поскольку существует гибкая и неоднозначная связь между процессами усложнения и упрощения. Одно из следствий этой связи - обязательное упрощение технологии за счёт стабилизации выходов всех ведущих процессов. Речь идёт об упрощении производственных процессов, поскольку увеличение структурной сложности технологий продуктов питания компенсируется значительным упрощением связей между ведущими процессами ввиду стабилизации параметров начальных процессов.

Создание аграрно-пищевых технологий - это следующий этап естественного развития технико-технологической базы аграрных и пищевых производств, переход от старого дифференцированного технологического базиса к качественно новому базису технологий в виде интегрированных производств продуктов питания.

Цель статьи вскрыть и проанализировать аспекты синергетики системного комплекса, которые возникают под воздействием различных системообразующих факторов при объединении в единое целое производящих и перерабатывающих технологий в АПК.

Аграрно-пищевая технология, как системный комплекс, представляет собой совокупность техноло-

№1 февраль 2019

Пищевая Индустрия

гических систем. Обобщённый облик системного комплекса, отражающий важнейшие особенности сложной структуры, может быть представлен в виде блочной схемы:

• технологическая система (Т.С.) сборки (синтеза) сельскохозяйственной продукции;

• технологическая система (Т.С.) разборки (анализа) сельскохозяйственной продукции на анатомические части;

• технологическая система (Т.С.) сборки (синтеза) из этих частей продуктов питания.

Эти три типа «больших» технологических систем перемежаются технологическими системами хранения. Такая сложная технологическая система (системный комплекс) есть результат сближения, соединения, сжатия аграрных, перерабатывающих и пищевых технологий во времени и в пространстве. При этом разнообразные биологические, биохимические, химические, физико-химические и физические процессы, ранее столь удалённые друг от друга во времени и в пространстве, и, поэтому слабо взаимодействующие между собой, порой вовсе не зависевшие друг от друга, теперь сближаются, «спрессовываются» достаточно узкими допусками на величины параметров входа и выхода всех ведущих процессов настолько близко, что начинают непосредственно влиять друг на друга. Из рисунка следует и понятие «фильтра» системного комплекса в целом, а также каждой отдельной технологической системы, под которым понимается контроль и ограничение колебаний параметров входов ведущих процессов по значениям качества и количества.

Что отличает технологические комплексы, эти сложные технологические системы, от «больших» технологических систем в сельском хозяйстве, перерабатывающих и пищевых отраслях? Прежде всего - характер внутренних связей, уровень взаимодействия, взаимовлияния элементов системы (технологических операций), их взаимосогласованность и взаимообусловленность, конечная цель. В технологических комплексах АПК эти свойства приобретают решающее значение. Новой ступенью в развитии систем процессов становятся именно комплексы. Технологический системный комплекс объединяет в единое целое большое число разнородных «больших» систем - автономных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Такие комплексы обладают совершенно новыми свойствами не характерными ни для технологий производства растительной и животноводческой продукции, ни для многочисленных технологий её переработки.

Системный комплекс создается для получения существенного прироста эффективности в производстве основных продуктов питания. Но не всякий холдинг, соединяющий сельскохозяйственную технологию (например, производство пшеницы) и перерабатывающие технологии (например, производство муки, хлеба и макаронных изделий) может составить системный технологический комплекс. Лишь

совокупность тех технологий, которые сами состоят из большого числа разнородных и сложных частей, тесно связанных между собой, которые насыщены машинами, аппаратами, биореакторами, автоматикой, информационно-вычислительными системами, хорошо управляемы, обладает свойствами системных комплексов. Эти комплексы представляют собой закономерный, но качественно новый этап развития технологических систем, этап непосредственно связанный с инновационной революцией в АПК. Обязательным условием организации такого комплекса является создание крупных индустриальных агропромышленных предприятий на новой технологической и технической базе, эффект функционирования которых может быть представлен в виде:

• повышения производительности труда;

• расширения адресности производства сельскохозяйственной продукции;

• усиления технологичности свойств сельскохозяйственного сырья;

• обеспечения прижизненного формирования качества продуктов питания;

• реализации прослеживаемости безопасности потребления продуктов питания;

• приближения перерабатывающих и пищевых предприятий к местам производства сельхозсырья;

• развития кооперативных форм организации труда;

• повышения технологической дисциплины в сельскохозяйственном производстве, перерабатывающей и пищевой промышленности;

• создания на перерабатывающих и пищевых предприятиях высокоавтоматизированных и роботизированных производств продуктов питания;

• развития ресурсосбережения и экологичности процессов по всей технологической цепочке.

Сегодня необходимо уяснить сам «механизм» возникновения из разрозненных «больших» технологических систем очень сложных целостных образований (технологических комплексов), которые обладают незнакомыми нам свойствами, особенностями и закономерностями, с чем придется столкнуться при их организации, функционировании и развитии. И к этому надо готовиться уже сейчас. Дело в том, что диалектика дальнейшего развития антропогенных целостных систем ведёт к их усложнению, но упрощает процессы функционирования и повышает эффективность таких систем.

Подход к созданию исключительно сложных систем начинает формировать стратегию переднего края науки. Это относительно новое научное направление получило название «Синергетика». Нет сомнений в том, что синергетика позволит по-новому взглянуть на современные технологии АПК и ускорить их качественное преобразование [1,4,9].

производство

Синергетика как бы в виде некоего «фермента» или «катализатора», который не заменяет базовые научные и инженерные дисциплины, но стимулирует развитие знаний в их рамках, развивает некоторые представления и понятия, которые были введены кибернетикой и общей теорией систем [2,8,3]. Прежде всего речь идет о понятии обратной связи, причем не только отрицательной обратной связи, ответственной за процесс поддержания функции объекта, но и положительной обратной связи, ответственной за процесс форсированного развития объекта. Поэтому синергетика может рассматриваться как инструмент нашего проникновения в будущее технологий АПК.

Термин «синергетика» означает совместное действие, подчёркивая согласованность связей частей, отражающуюся в функционировании системы процессов как единого целого. Например, системный комплекс «Аграрно-пищевая технология» может состоять из 5-6 «больших» систем (технологий) и представлять собой совокупность из 20-30 и более подсистем. Комплекс может содержать от 75 до 100 и более элементов - ведущих технологических операций в машинах, аппаратах, биореакторах и устройствах, соединённых сотнями связей (материальными, энергетическими и информационными) с определёнными допусками, регламентированными технологическими инструкциями.

Чтобы быть объектом синергетики такой комплекс должен обладать характеристиками самоорганизующейся системы: открытостью, нелинейностью и нестабильностью.

Открытость - это способность системы постоянно обмениваться веществом, энергией и информацией с окружающей средой. в открытых технологических системах важнейшую роль играют случайные факторы, флуктуационные процессы. Это касается не только сельскохозяйственной части системного технологического комплекса, ввиду природных и климатических особенностей, но и его перерабатывающей части. Флуктуация может быть настолько сильной, что пробежав волной по элементам и связям системы, приводит к выходу дефектной продукции. Но с другой стороны флуктуационные процессы необходимы, так как они стимулируют процессы развития.

Нелинейность - концептуальная основа синергетики. Физический смысл нелинейности: множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество направлений развития системы, описываемой этой нелинейной моделью. Это выражается, в частности, в разнообразных технических решениях конкретной технологической задачи. Из этой поведенческой особенности нелинейных систем АПК следует важнейший вывод по вопросу организации их научно-технического прогнозирования и управления ими.

Нестабильность можно определить как состояние открытой системы, при котором происходит изменение параметров её элементов (технологических операций), связей, условий функционирования. Необходимо отметить, что системный комплекс, находящийся в нестабильном состоянии, чувствителен к внешним воздействиям, согласованным с его собственными свойствами. в этом как бы проявляется механизм резонансного возбуждения, что приводит

к возникновению точек ветвления пути дальнейшего развития комплекса [7].

Синергетика побуждает нас осознать концепцию развития очень сложных технологических объектов в АПК как открытых нелинейных систем, которые в нестабильном состоянии являются носителями многообразных форм их будущей организации.

Нелинейные системы, являясь нестабильными и открытыми, сами создают и поддерживают флуктуации в окружающей среде. в таких условиях между системой и средой могут создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые вызывают изменения в самой этой среде. И в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями возникают условия для самоорганизации технологического комплекса.

вообще под самоорганизацией понимается переход (с участием человека) открытой нестабильной нелинейной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам её организации. При этом развитие таких систем протекает путём нарастающей сложности и упорядоченности при одновременном упрощении процесса функционирования. одним из направлений развития сложных систем является создание низкочувствительных процессов в технологическом потоке [5].

опыт разработки системных комплексов в других областях народного хозяйства дает возможность сформулировать следующие основные принципы проектирования таких комплексов в АПК:

• рациональный выбор технологий, обеспечивающий выполнение системным комплексом в целом всех поставленных задач;

• тщательное сопряжение технологий

в единый, хорошо функционирующий технологический поток;

• всесторонняя, скурпулезная автономная проверка технологической надежности каждого компонента комплекса;

• количественная оценка уровня стабильности каждой из сопряженных технологий как подсистемы комплекса;

• количественная оценка уровня целостности (уровня организации) системного комплекса в целом и определение его эффективности при решении поставленных задач.

Необходимо отметить и кульминационный момент этой парадигмы развития технологий АПК - обстоятельства, при которых формируется целостность системного комплекса, приводящая к сверхвозможностям, сверхэффективности соединенных в единое целое технологий сельскохозяйственного производства, технологий хранения, технологий перерабатывающих производств и технологий пищевой промышленности. Речь идет о системообразующих факторах, которые могут быть разные по технологическим решениям в каждой из технологий, составляющих комплекс. Например, в одной технологии - это синхронность функционирования процессов, в другой - это узкая специализация процес-

№1 февраль 2019

Пищевая Индустрия

сов, в третьей - это высокая стабильность выходов процессов и так далее. Таким образом, в основе дополнительного эффекта функционирования каждого блока (технологии) внутри системного комплекса лежит свой системообразующий фактор. А эффект системного комплекса в целом определяется уровнем реализации этих системообразующих факторов в отдельных технологиях, составляющих комплекс. Таким образом, взаимоусиление соединенных в комплекс технологий - вот источник эффекта сложных систем.

Перерабатывающая часть системного комплекса "Аграрно - пищевая технология" уже достаточно строго организована в технологический поток и функционирует на заводах, фабриках, комбинатах и других крупных пищевых предприятиях, что нельзя сказать о части комплекса производящей растительное и животное сырье. По этой причине совершенно необходимо организовать производство сельскохозяйственной продукции на промышленной основе. В сельском хозяйстве закономерности, описывающие строение, функционирование и развитие технологических процессов гораздо сложнее, чем закономерности технологических процессов на перерабатывающих и пищевых предприятиях и носят преимущественно вероятностный характер. Это обуславливается особенностями главного средства производства - земли с ее сильно изменяющейся от погодных условий отдачей. Растения и животные также имеют свои биологические особенности роста и развития. Поэтому решение проблемы производства стабильной по качеству и количеству сельскохозяйственной продукции следует искать в создании принципиально новых технологий индустриального типа, что потребует в свою очередь создания новых высокоурожайных культур растений и новых высокопродуктивных пород животных.

В основе индустриальных технологий растениеводческой продукции должна лежать организация стройной системы обработки почвы, внесения удобрений, точного высева, механизированного ухода за посевами, борьбы с болезнями и вредителями, уборки урожая и его хранения. При этом точный высев семян (как основной фактор) становится возможным лишь после их специальной обработки: сортирования, шлифования, калибрования, дра-жирования с приданием им шарообразной формы. Именно с точного, а порой прецизионного по агротехническим параметрам высева , должна начинаться аграрно-пищевая технология продуктов питания из растительного сырья.

В основе индустриальных технологий животноводческой продукции должна лежать организация автоматизированных процессов содержания животных, чтобы человек был занят не обслуживанием животных, а обслуживанием автоматизированных производственных систем. Такая технология приводит к понятию "ферма - завод', когда сельскохозяйственный труд приобретает черты труда заводского.

Каким же образом придать технологиям сельскохозяйственного производства индустриальный облик? Ответ на этот вопрос дает академик РАСХН Леонид Владимирович Погорелый, в 1991 - 2003 годах директор Украинского научно-исследовательского

института по прогнозированию и испытанию техники и технологий для сельскохозяйственного производства [6]. Им в конце XX века были получены важные исходные предпосылки для проектирования аг-робиозаводов и агрозоофабрик.

В полеводстве одним из направлений развития заводской модели является создание мостовых мобильных систем. Это не что иное, как передвижной сельскохозяйственный завод.

Заводские тенденции развития свойственны и промышленному животноводству за счет высокой концентрации производства при его узкой специализации.

На сельскохозяйственных предприятиях заводского и фабричного типа могут быть обеспечены точность, устойчивость, стабильность и технологическая надежность процессов сельскохозяйственного производства. Именно такие процессы могут обусловить необходимое качество связей по всей технологической цепочке системного комплекса «Аграрно - пищевая технология», что позволит на перерабатывающих и пищевых предприятиях применять роторную технологию и роторную технику. * * *

Таким образом, кризис в инженерии АПК России может быть преодолен, если новой парадигмой в производстве продуктов питания станет идеология создания индустриальных системных комплексов, приводящих к избыточному положительному эффекту. В этом суть и неизбежность диалектического развития антропогенных систем. В этой связи необходимо:

• проанализировать современные технологии АПК России и их техническое сопровождение с точки зрения возможности и целесообразности создания в перспективе системных технологических комплексов индустриального производства и переработки продукции сельского хозяйства в основные продукты питания;

• разработать перспективные программы фундаментальных, поисковых, прикладных и опытно-конструкторских работ с государственным финансированием по сквозным технологиям системного комплекса на период до второй половины XXI века и далее;

• организовать подготовку научных и инженерных кадров путем объединения вузов сельскохозяйственного и пищевого профилей с разработкой соответствующих учебных планов.

Литература

1. Баранцев Р.Г. Синергетика в современном естествознании. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. - 160 с.

2. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. - М.: Химия, 1968. - 380 с.

3. Князева E.H., Курдюмов С.П. Синергетика: нелинейность времени и ландшафты коэволюции. - М.: КомКнига, 2014. - 272 с.

4. Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Синергетика - новые направления. М.: Знание. 1989. 48 с.

5. Панфилов В.А. Теория технологического потока. - 3-е изд. - С.: «Лань», 2019. - 320 с.

6. Погорелый Л.В. Сельскохозяйственная техника и технология будущего. - К.: Урожай. - 1988. - 176 с.

7. Пригожин И. Философия нестабильности // Вопросы философии, 1991, №6, с. 46-57.

8. Садовский В.Н. Основания общей теории систем. - М.: Наука, -1974, 280 с.

9. хакен г. Синергетика: Принципы и основы. Перспективы и приложения. Пер. с англ. Изд. 2-е доп. - М.: УРСС: ЛЕНАНД, 2015. - 448 с.