Докт. техн. наук Гришин А.П., канд. экон. наук Гришин А.А.,

инж. Гришин В.А.

Принцип энергоинформационного единства в технологиях управляемого водопользования

Объекты и методы исследований

По статусу водопользования, независимо от области применения водных ресурсов существуют две самостоятельные непересекающиеся категории: водообеспечения и водопотребления. Однако связь между ними существует, поскольку потребление диктует свои условия обеспечению: какое количество воды нужно подать, какого качества и с каким напором.

Расход водопотребления формируется при участии большого количества потребителей: население, животные, растения и обусловлен их действиями, физиологическими процессами и носит случайный характер. Более того, если группа, к примеру, животных крупная и подчиняется технологическому режиму в определенном порядке, расход получает свой независимый от действий отдельных потребителей характер и его параметры могут иметь детерминированные оценки. В данном случае процесс формирования расхода является самоорганизующимся процессом. Его отличительным свойством является наличие параметра порядка, который образуется в результате действия технологического режима и которому подчинен весь ход процесса. Аналогичный порядок образуется и в случае, когда потребителем является растение либо человек. Однако в любом случае параметр порядка образуется в соответствии с определенным законом и зависит от действия некоторого доминирующего параметра рассматриваемого процесса.

Таким законом на наш взгляд является закон выживания, объединяющий второе начало термодинамики в общий принцип экстремальной энергетической целенаправленности самоорганизации и прогрессивной эволюции (ПЭЭС и ПЭ) заключающийся в том, что всякая энергоинформационная система или структура стремится в своем развитии максимально использовать свободную доступную энергию (ресурсы) в системе своего трофического уровня. Таким образом, всякая энергоинформационная система или структура должна отвечать принципу энергоинформационного единства.

Принцип энергоинформационного единства заключается в том, что энергетический и информационный механизмы должны быть комплементарны. То есть иметь взаимное соответствие и дополнение при образовании целого единого механизма, функционирование которого должно быть направлено на максимальное использование свободной доступной части энергии – эксергии, согласно ПЭЭС и ПЭ направленности развития процессов и структур анализируемых объектов. При этом эффективность информации и энергоэффективность её носителя (КПД оператора) взаимоопределены одной и той же оптимальной величиной количества информации.

Согласно [1] функционирование всякой информационной системы направлено на достижение цели, то есть имеет определенную целенаправленность информации – I, повышающую вероятность достижения конечной цели – Z с некоторой величины – р до величины – Р. В нашем случае целью является обеспечение потребителя водой в максимально приближенному к требуемому объему. Поскольку вода потребляется в случайном режиме, в качестве оценки такого объема примем матожидание случайного процесса потребления воды или сумму распределения вероятностей расхода.

Существует функциональная зависимость между эффективностью информации и её количеством, которая имеет максимум в точке соответствующей оптимальному количеству информации – B_o.

Критерием эффективности информации при достижении максимума цели (максимального приближения к требуемому объему) принимается максимальное нормированное по максимуму значение матожидания. Целенаправленное действие информационной системы может быть описано следующим алгоритмом, содержащим все элементы информационной системы [1]:

. (1)

Информационная система, кроме известных уже элементов – цели и информации содержит также оператор – Q. Применение этого оператора осуществляется в массиве режимов – S с ресурсами – R. Элементы Q, I, S и R направлены на достижение цели – Z, при этом возникают побочные продукты – w.

Эффективность информации определяет более эффективное использование свободной доступной энергии, что, в конечном счете, определит рост КПД. Поэтому можно предположить, что КПД увеличивается с ростом эффективности информации и положения максимальных значений кривых эффективности информации и энергоэффективности её носителя (КПД оператора) на оси абсцисс должны совпадать, то есть оба максимума должны приходиться на одни и те же значения количества информации, равные её оптимальной величине B = B_o.

Таким образом, в энергоинформационной системе эффективность информации и эффективность её носителя взаимоопределены оптимальным количеством информации.

Режимы технологических схем водообеспечения необходимо согласовать с режимами водопотребления, так чтобы при полной обеспеченности водой потребителя потери ресурсов были минимальными. Энергоемкость технологий должна быть низкой. Согласование производится на основании информации непосредственно о режимах водопотребления или через источник формирования параметра порядка с помощью измерителей расхода. Измеритель имеет цену деления, которую можно изменять контроллером, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения до известного предела. Цена деления определяет тот интервал измеряемой величины расхода на входе измерителя, которая не приведет к изменению сигнала на выходе измерителя.

Шеннон определил информацию, как снятую неопределенность. Неопределенность возникает в ситуации выбора. Задача, которая решается в ходе снятия неопределенности – выбор одного варианта из числа возможных. Поэтому под информацией понимают «запомненный выбор одного варианта из нескольких возможных и равноправных». Снятие неопределенности дает возможность принимать обоснованные решения и действовать. В этом управляющая роль информации. Минимальная неопределенность равна 0, то есть эта ситуация полной определенности, означающая что выбор сделан, и вся необходимая информация получена.

Количество информации I получаемой в результате снятия неопределенности зависят от исходного количества рассматриваемых вариантов N и априорных вероятностей реализации каждого из них P: {p₀, p₁, …p_N-1}, т.е. I = f(N, P). Расчет количества информации в этом случае производится по формуле Шеннона:

(2)

Приняв от датчика сигнал о величине расхода и, приведя в соответствие ему действие оператора, мы тем самым полностью снимаем неопределенность и получаем полную информацию. Данный сигнал является реализацией i-ого варианта из числа возможных определяемых дискретностью разрешения измерителя текущего расхода, то есть его ценой деления. Если полный диапазон изменения расхода 15,0 м³/час, а цена деления 1,0 м³/час, то число возможных вариантов с учетом нуля N=16. При этом максимум возможной информации получаемой при условии равномерного распределения p_i равен I = log₂16 = 4 [2].

Рассчитав функции распределения для интервалов частот случайных процессов изменения расхода, имеющих различную величину, можно с помощью формулы (2) рассчитать количества информации для этих интервалов. Цену деления измерителя приводим в соответствие интервалам частот распределения вероятностей. В результате получим оценку количества информации для различных функций распределения этих случайных величин, где аргументом является цена деления измерителя, рис 2.

Поскольку сигнал от измерителя определяет работу оператора – насоса, его расход и режимы и, прежде всего КПД, то очевидно существует и зависимость этой характеристики от количества информации. Такую зависимость можно получить, если использовать в качестве вспомогательных зависимости распределений случайных величин расхода от количества информации и КПД от расхода насоса, рис. 2. Зависимость КПД насоса в режиме регулирования от расхода определена в [3]. Там же предложен способ оценки интегрально-вероятного КПД насоса, удобного в случае интервального, ступенчатого изменения расхода по сигналам измерителя. Он заключается в том, что рассчитывается произведение среднего значения КПД для каждого интервала расходов (он же интервал частот плотности распределения случайных величин) на вероятность соответствующую этому интервалу, после чего суммируется по всем интервалам. Кроме насоса оператор состоит из других элементов, однако их энергопотреблением можно пренебречь, поскольку оно на порядки ниже, чем у насоса.

В качестве объекта исследований выберем технологию водообеспечения фермы КРС.

В качестве источника информации примем характеристики случайного процесса водопотребления фермы КРС [3].

Результаты исследований

По приведенным выше методам, используя ранее полученные данные об источниках информации и каталожные характеристики насосов [3] были исследованы энергоинформационные характеристики прямоточной технологии водообеспечения молочно-товарной фермы.

Энергоинформационные характеристики технологии водообеспечения

Таблица 1.

Технология	Интервалы, м^3/час	Н, бит	Э, о.е.	КПД, о.е.
Водообеспечения молочно-товарной фермы	Расход водопотребления фермы КРС
	0,50	4,33	0,96	0,541
	1,00	3,38	1,00	0,543
	1,50	2,87	0,98	0,541
	2,00	2,50	0,90	0,537
	2,50	2,23	0,81	0,532

Результаты расчетов показателей энергоинформационных характеристик технологии представлены в таблице 1, а их графические зависимости на рис. 3. На рис. 2 представлены функции распределений расхода водопотребления фермы КРС для двух интервалов (они же цены деления измерителя расхода).

Выводы

1. Под принципом энергоинформационного единства в технологиях управляемого водопользования понимается такой принцип при котором энергетическая и информационная составляющие процесса комплементарны и образуют единый механизм.

2. Функционирование этого механизма направлено на максимальное использование свободной доступной энергии своего трофического уровня в соответствии с ПЭЭС и ПЭ, причем эффективность информации и эффективность её носителя (КПД оператора) взаимоопределены оптимальным количеством информации.

3. По этой причине энергоинформационные технологии являются энергоэкономными.

Литература.

1. Корогодин В.И. Информация и феномен жизни. Пущино, Пущинский научный центр АН СССР, 1991.

2. Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам. – М.: КомКнига, 2005, – 248с.

3. Гришин А.П., Гришин А.А. Методические рекомендации по выбору энергоэкономного электронасосного оборудования и применению контейнерных насосных станций. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. – 136 с.