В книге коллектива специалистов ЧССР, возглавляемого Л. Вотрубой, рассмотрены проблемы инженерных решений в проектировании систем водного хозяйства: математические методы; процессы, используемые при теоретических исследованиях; основные методы анализа структуры и образования систем; модели основных систем; использование вычислительной техники при проектировании систем водного хозяйства; перспективы применения инженерных методов в этих системах. Разработаны модели оптимального программирования, имитационные модели водного хозяйства, модели теории запасов и массового обслуживания. Приложены примеры проектов систем водного хозяйства. Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.

Предисловие
Введение

1. Наука о системах и входящие в нее дисциплины
1.1. Понятие «наука о системах»
1.2. Дисциплины науки о системах
1.3. Эволюция развития системных дисциплин

2. Системы в водном хозяйстве
2.1. Водохозяйственные системы
2.2. Выбор математической модели для расчета водохозяйственной системы
2.3. Последовательность разработки математической модели для многоцелевых водохозяйственных систем
2.4. Оценка водохозяйственных систем
2.5. Использование эвристических методов для анализа водохозяйственных систем
2.6. Прогнозирование при проектировании и эксплуатации водохозяйственных систем
2.7. Функции творческих и рабочих коллективов при разработке и эксплуатации водохозяйственных систем
2.8. Автоматическое управление водохозяйственными системами

3. Математические методы, используемые в теории систем
3.1. Теория вероятностей
3.2. Теория случайных процессов
3.3. Математическое описание поведения системы
3.4. Преобразование Фурье
3.5. Преобразование Лапласа
3.6. Z-преобразование
3.7. Основные понятия вариационного исчисления

4. Использование средств вычислительной техники в водохозяйственных системах
4.1. Характеристика вычислительной техники
4.2. Применение вычислительных машин для моделирования
4.3. Основы проектирования и организации работы вычислительного центра
4.4. Перспективы применения вычислительной техники в водохозяйственных системах

5. Модели оптимального программирования
5.1. Линейное программирование
5.2. Динамическое программирование

6. Имитационные модели водохозяйственных систем
6.1. Понятие «имитационная модель»
6.2. Свойства имитационных моделей
6.3. Организация работы по составлению имитационной модели
6.4. Анализ результатов и разработка методов оптимизации
6.5. Выбор вариантов расчета
6.6. Оценка возможностей применения имитационных моделей

7. Модели теории управления запасами
7.1. Виды моделей
7.2. Детерминированные модели теории управления запасами
7.3. Стохастические модели теории управления запасами
7.4. Использование теории управления запасами в водохозяйственных системах

8. Модели теории массового обслуживания
8.1. Виды процессов массовою обслуживания
8.2. Марковские и немарковские процессы в моделях массового обслуживания
8.3. Модели систем обслуживания
8.4. Ненадежные системы
8.5. Имитация систем обслуживания
8.6. Использование теории массового обслуживания в водохозяйственных системах

9. Теория графов и сетей
9.1. Область применения методов сетевого анализа
9.2. Основные понятия теории графов
9.3. Графическая модель сложного процесса и ее описание
9.4. Временной анализ сетевого графа
9.5. Применение теории графов в водохозяйственных системах

10. Другие модели решения водохозяйственных систем
10.1. Комбинация метода беспорядка и имитационной модели
10.2. Комбинация стохастической линейной и имитационной моделей
10.3. Стохастическая аналитическая модель
10.4. Описание упрощенного алгоритма метода беспорядка и пример его использования

11. Информация и информационные системы в водном хозяйстве
11.1. Понятие информации и энтропии
11.2. Основные задачи и функции информационной системы
11.3. Создание и развитие системы информации
11.4. Определение и анализ информационных систем
11.5. Язык информационных систем
11.6. Модель информационной системы
11.7. ЭВМ как главный инструмент автоматизации информационных систем
11.8. Входы информационных систем в водном хозяйстве
11.9. Критерий эффективности информационной системы в эксплуатации
11.10. Программное обеспечение

12. Перспективы развития методов расчета водохозяйственных систем
12.1. Общие предпосылки развития системного подхода к проблемам водного хозяйства
12.2. Характеристика кибернетической адаптивной модели
12.3. Заключение

Послесловие
Список литературы

Предисловие

Процесс интеграции в самом широком смысле этого слова характеризует те преобразования в политике, экономике и отдельных отраслях народного хозяйства, которые произошли за последние 30 лет. Чем больше ощущается потребность в связях между функционально связанными подразделениями и чем скорее они реализуются, тем легче из этих подразделений образуются системы. Возникающие большие системы требуют качественно нового подхода и решений в экономике, энергетике, на транспорте, а начиная с 50-х годов и в водном хозяйстве.

Современный инженер, а тем более инженер будущего, должен уметь найти научный подход в решении инженерных задач в соответствии со своими способностями. Научный исследователь изучает и объясняет природные явления и взаимосвязи между ними, а инженер создает что-то новое, неизвестное, но полезное. Если раньше инженерное дело было ближе к искусству, с которым оно имеет общие элементы, то в настоящее время оно приближается к науке.

Под воздействием современных требований сформировался новый тип научно-технического работника, не только теоретически обосновывающего возможность появления определенного продукта техники, но и способствующего его освоению в производстве. Возникает проблема применения творческой деятельности в прикладной науке. Появляются связи наука-исследование-производство, в результате чего наука становится непосредственной производительной силон.

При создании водохозяйственных систем на современном научном уровне необходимо опираться на соответствующие фундаментальные отрасли, например на анализ систем, теорию вероятностей, исследование операций и др.

Цель данной книги, ориентированной на решение проблем водного хозяйства, заключается в создании теории расчета сложных водохозяйственных систем на основе методов системного анализа. Так как терминология и понятия в этой области еще не установились, то их следует определять с учетом возможности использования и для других системных дисциплин, прежде всего для экономики.

Для облегчения изучения рассматриваемой проблемы в книге изложены элементы новых смежных наук, на которых основан расчет сложных водохозяйственных систем.

Для более глубокого изучения отдельных вопросов в книге даны ссылки на соответствующую литературу. С целью облегчения усвоения материала даются примеры. Книга рассчитана на читателей, знакомых с основами теории вероятностей и математической статистики, вычислительной техники, гидрологии и с регулированием стока вод посредством водохранилищ, и предназначена прежде всего для тех, кто занимается практическими вопросами разработки водохозяйственных систем. В ней не затрагиваются проблемы чистоты воды, водоснабжения, канализации, судоходства, гидроэнергетики, а рассматриваются лишь вопросы экономного использования водных ресурсов. Проблемы защиты от наводнений и воздействия на окружающую среду, как и вопросы обратных технико-экономических связей при расчетах водохозяйственного баланса, требуют самостоятельного и более глубокого исследования.

В разделах науки, занимающихся проблемами систем, много нерешенных вопросов, в том числе и в тех отраслях, в которых системы только начинают внедрять, т.е. в автоматическом управлении и экономике. Особенно рельефно это проявилось при попытках применения системных методов для решения проблем водного хозяйства (см. материалы Международного симпозиума по водохозяйственным системам в г. Карлови Вари, 1972 г.).

В книге рассмотрены Принципы и основные методы расчета водохозяйственных систем, основанные на достигнутом уровне теоретических знаний, и важнейшие направления дальнейшего развития перспективных методов решения проблем водного хозяйства, базирующиеся на системном подходе.

Идея написания книги подобного рода была поддержана как Чешским техническим обществом, так и Государственным издательством технической литературы, которым авторский коллектив выражает благодарность за ее издание.

При написании книги мы имели возможность ознакомиться с материалами исследовательских работ и проектов Института водного хозяйства и строительства (Прага), кафедры гидротехники строительного факультета Чешского высшего технического училища, института Гидропроект (Прага) и других организаций, занимающихся проблемами водного хозяйства. В книгу включены результаты дискуссий с сотрудниками группы по проектированию водохранилищ и плотин при Комиссии водного хозяйства Чехословацкой академии наук и коллегами- инженерами как чехословацкими, так и зарубежными. Особенно ценными были для нас замечания рецензента. Выражаем благодарность всем оказавшим нам помощь при написании книги.

По поручению авторского коллектива – Л. Вотруба

Введение

Характер водного хозяйства требует комплексного решения связанных с ним проблем. Всякое вмешательство имеет, как правило, далеко идущие последствия как для самих гидроресурсов, так и для потребителей. Явления в природе взаимосвязаны и с общественными отношениями. Связи существуют в пространстве и времени. Возможности водоснабжения и потребность в воде носят стохастический характер и могут проявлять тенденцию к нестационарности.

При выборе варианта распределения водных ресурсов наряду с причинами экономического характера принимают во внимание и внеэкономические факторы. Речь идет о проявляющейся и в других областях тенденции исследования факторов, которые не могут быть измерены в экономических показателях (в некоторых случаях «неизмеряемые» факторы получают даже приоритетное значение, что накладывает свой отпечаток и на процесс выбора оптимального варианта функционирования систем). Методы оптимизации при этом сильно усложняются, а результаты могут носить случайный характер или вообще оказаться неверными.

Различные системы, в том числе и водохозяйственные, требуют новых методов расчета, которые можно также использовать и в других областях науки. Наиболее выразительной чертой, характеризующей современные научные исследования и процесс познания объективной реальности и ее изменений, следует признать распространение методов теории вероятностей и системного подхода к решению проблем. Можно предположить, что эти тенденции сохранят свое значение в развитии методов научного познания мира.

Вероятностные методы используются в естественных, технических и общественных науках, таких, как физика, астрономия, кибернетика, биология, экономика, психология и др. Процесс признания вероятностных методов длился со времен Паскаля до Ферми, т.е. 300 лет. Несмотря на это теория вероятностей до недавнего времени ассоциировалась скорее с представлениями о неопределенности и неизвестности, чем с представлениями о надежном инструменте объективного познания явлений и процессов.

Внедрение вероятностных и статистических методов исследования в различные области знания сопровождалось их постоянным усовершенствованием. Методы теории вероятностей применяются и в новых математических дисциплинах, например в теории информации, теории игр, исследовании операций, теории надежности и др. В физике появилась в противовес ньютоновской механике статистическая механика. М. Борн провозгласил вероятность краеугольным камнем физики.

В социологических исследованиях статистические методы используют для исследования количественных закономерностей в обществе, Наряду с другими, законы статистики считаются законами природы.

В кибернетике, изучающей закономерности поведения сложных динамических систем, понятие вероятности является предпосылкой для объяснения ее основ и связанных с ней понятий (информация, организация, управление и т.п.). Детерминированный подход в данном случае недостаточен и неточен, так что единственными инструментами для изучения этих понятий являются методы теории вероятностей.

Системный подход предполагает как общие исследования объектов, так и расчленение их на отдельные элементы, что позволяет изучить конструкцию, организацию и соответствие объекта его функциональному назначению. Исследуемый объект представляет собой систему, рассматриваемую как единое целое, отдельные элементы которого неразрывно связаны. Таким образом, при системном подходе к изучению объекта его рассматривают как единое целое, даже в случае изменения одного или нескольких его элементов.

Как и в других областях научного познания, в системном подходе исследования мира греческая натурфилософия служила инструментом диалектического познания явлений. Исходя из своего принципа гармонической взаимосвязи явлений (одного из самых великих открытий человеческого разума), пифагорейцы пришли к открытию всемирных законов (Волков, 1975), Как говорит Ван дер Верден, характерной и совершенно новой чертой греческой математики был системный подход, применяемый на практике путем последовательного исследования одного явления за другим, Диалектика, заключенная в системном подходе, является, очевидно, самым ценным из того, что оставили греческие философы человечеству. Мир представляется им в виде «бесконечного сплетения взаимосвязей и взаимодействия явлений, в которых ничто не остается тем, чем было, где было и как было, но все находится в постоянном движении, изменяется, возникает и исчезает» (Маркс, Энгельс, 1966).

Системный подход можно охарактеризовать как метод комплексного исследования явлений в их внутренней и внешней взаимосвязи. Тем самым соблюдается основное требование диалектических методов, в достоверности которых не приходится сомневаться и которые предполагают рассмотрение всех связей как необходимого условия реального познания мира. Исходя из этого водохозяйственные системы также не могут быть изучены без рассмотрения всех внутренних связей между их элементами и взаимодействия с внешней средой, даже если наши знания о каждом элементе в отдельности и окружающей среде совершенны.

Системный подход, с его диалектическим характером может быть использован в любой отрасли знаний, при этом он не является основой для самостоятельной отрасли исследований, имеющей свои объекты и методы.

В новых областях науки системный подход тесно связан с вероятностными представлениями об организации и поведении сложных динамических систем. Если сущность структуры и поведения сложных систем имеет вероятностный характер, то становится очевидным, что при их исследовании необходимо одновременно учитывать обе тенденции, т.е. вероятностный и системный подходы, поскольку вероятностные концепции развивались независимо от системного подхода. Это вызывает необходимость анализа понятий и закономерностей теории вероятностей на основе закономерностей системного подхода.

Вероятностные методы решения и теперь не потеряли своего важного значения для объяснения всеобщих объективных закономерностей и причинной обусловленности явлений природы и общества. При расчете водохозяйственных систем наряду с подавляющим числом явлений вероятностного характера мы встречаемся и с детерминированными явлениями, и наоборот, наряду с теми, которые могут быть точно измерены, встречаются явления, которые можно охарактеризовать лишь качественно, а также и такие, которые совсем неизвестны или изучены недостаточно. Исходя из значимости явлений для исследования, оптимизации структуры и поведения водохозяйственных систем используют как методы теории вероятностей, детерминированные методы, так и эвристические методы, или же комбинацию этих методов.

Но ни при каких условиях нельзя исключить системный подход при расчете водохозяйственных систем как основной и всеобъемлющий метод. Преимущества системных методов решения задач не могут быть восполнены никакими другими методами. Однако это не исключает возможности введения определенных упрощений в качестве методических приемов при решении задач.

Новые методы планирования, разработки и расчета сложных разветвленных систем используют приблизительно с 1960 г. Благодаря распространению вычислительной техники существует реальная возможность практического применения этих методов. Синтез нового методологического подхода и ЭВМ привел к существенным качественным изменениям в методологии решения различных задач.

Однако для полного освоения нового метода предстоит сделать еще очень многое. Как и в каждой новой, быстро развивающейся области знаний, здесь имеется еще много неясностей относительно возможностей и методов использования системного подхода.