Синергетический подход к транспортно-энергетической инфраструктуре

Таранцев Александр Алексеевич доктор технических наук заведующий лабораторией, Институт проблем транспорта, Российская академия наук 199178, Россия, г. Санкт-Петербург, линия 12-я Васильевского острова, 13 Tarantsev Aleksandr Alekseevich Doctor of Technical Science Head of Laboratory of Solomenko Institute of Transport Problems of the Russian Academy of Sciences  199178, Russia, St. Petersburg, 12 liniya Vasil'evskogo ostrova, 13 t_54@mail.ru Белозеров Владимир Валерьевич соискатель, Академия государственной противопожарной службы МЧС России 346735, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пер. Астрономический, 22/9 Belozerov Vladimir Valer'evich External Doctoral Candidate at State Fire Academy of Emercom of Russia; Technical Director of LLC “Tritart” 346735, Russia, Rostov-on-Don, Pereulok Astronomichesky 22/9 isagraf@mail.ru Другие публикации этого автора

Кирлюкова Наталья Алексеевна аспирант, кафедра автоматизации производственных процессов, Донской государственный технический университет 344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, площадь Гагарина, 1 Kirlyukova Natal'ya Alekseevna Postgraduate at the Department of Production Processes Automation of Don State Technical University 344000, Russia, Rostov-on-Don, ploshchad' Gagarina, 1 natali050193@mail.ru

В XXI веке обретает актуальность синергетика, которая может устранить, образовавшийся «междисциплинарный и философский вакуум» между настоящим (из-за отсутствия «Диалектики техносферы» и необходимости обновления «Диалектики природы») и будущим («Диалектикой ноосферы») ^[1].

Признание природоразрушающего характера "рыночной экономики" стало итогом беспрецедентной Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992), на которой её генеральный секретарь Морис Стронг подчеркнул: "..западная модель развития более не подходит ни для кого. Единственная возможность решения глобальных проблем сегодняшнего дня - это устойчивое развитие". А незадолго до этого было предложено и понятие: "Устойчивое развитие - это такое развитие, которое удовлетворяет потребности настоящего времени, но не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности"^[2].

Прошло уже почти четверть века после «Рио-де-Жанейровского приговора», однако рыночная экономика продолжает уничтожать природу и население планеты, а статистика продолжает фиксировать нарастание социально-экономических потерь в жизнедеятельности мирового сообщества от «продуктов» научно-технического прогресса (НТП):

- в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) ежегодно погибают свыше 1,0 млн. человек и более 5,0 миллионов – травмируются ^[3],

- электрический ток поражает и травмирует более 0,01% населения планеты в год, т.е. свыше 700,0 тысяч человек ^[4,5],

- в пожарах ежегодно погибает около 70,0 тыс. человек и свыше 300,0 тысяч – получают травмы различной степени тяжести ^[6,7],

- в происшествиях на реках, морях и в океанах, в т.ч. с применением транспортных средств, погибает и пропадает без вести более 50,0 тыс. человек в год ^[8],

- в ежегодных геофизических катаклизмах (землетрясения, извержения вулканов, грозы, дожди, лавины, оползни, холод, жара,) погибает около 40,0 тыс. человек ^[9].

Если просуммировать указанный ущерб с 1945 года, то потери мирового сообщества за прошедшие 70 лет в несколько раз превысят ущерб, нанесенный человечеству Второй мировой войной! Следовательно, Третья Мировая Война с «продуктами НТП» уже давно идет ^[1]!

Все это обусловливает актуальность и порождает необходимость нахождения принципиальных решений, позволяющих, остановить рост указанных ежегодных социально-экономических потерь, и снизить их до уровня, соответствующего увеличению удельного вооружения указанными продуктами НТП объектов и субъектов.

Таблица 1 – Гибель и травматизм в ДТП в 2015 году

Таблица составлена на основании данных, опубликованных 13.11.2015 на сайте www.icebike.org

Ф. Энгельс в предисловии к «Диалектике природы» писал: «..становится неустранимой задача, приведения в правильную связь между собой отдельных областей знания…и здесь может оказать помощь только теоретическое мышление». При этом под «теоретическим мышлением» Ф.Энгельс подразумевал диалектический метод, предупреждая: «..эмпирическое презрение к диалектике наказывается тем, что некоторые из самых трезвых эмпириков становятся жертвой самого дикого из всех суеверий..» ^[10].

Энергетическая и транспортная (как и пожарная) инфраструктуры «родились» из десятков областей человеческого знания, которые до настоящего времени не приведены, в правильную связь между собой, именно из-за эмпирического отношения к диалектике, зачто общество и «наказывается ежегодно» указанными потерями.

«Природа не строит ни машин, ни локомотивов, ни . . дорог..- писал К.Маркс в своих ранних работах и в «Капитале» -..Все это продукты человеческого труда, природный материал, превращенный в органы человеческой воли,... человеческой деятельности в природе. Все это – созданные человеческой рукой органы человеческого мозга, овеществленная сила знания... То, что на стороне человека проявлялось в форме деятельности, теперь на стороне продукта выступает в форме ... бытия» ^[11].

Эти постулаты XIX века остаются актуальным и в XXI веке, потому, что человек стремится заменить современной техникой те функции, которые ему самому приходится выполнять, либо которые он не может выполнить совсем. Таким образом, человек и техника представляют диалектическое единство противоположностей. Они едины: человек уже не может осуществлять свою жизнедеятельность без техники, которая является его «искусственными органами», а техника не может возникнуть, «жить и действовать» без человека. Но человек и техника не только едины, а и противоположны: идеи и труд человека материализовались в технике и прибрели форму объективной реальности, существующей вне и независимо от сознания людей. В гносеологическом отношении техника противостоит человеку и его сознанию, т.к. порожденная им, она приобретает относительную самостоятельность в своих действиях и движениях, независимость в своем бытии, причем ее независимость по отношению к человеку возрастает вместе с техническим прогрессом. И если мы видим, что «продукт технического прогресса» становится враждебным по отношению к природе и индивиду, т.е. приносит материальные, социальные и экологические потери, то за таким «продуктом» следует искать человека или социальную группу людей (разработчиков, законодателей, чиновников и т.д.), заинтересованныхв содеянном, или просто виновных - «по недомыслию» ^[12].

Статистика пожаров, аварий топливно-энергетических комплексов и продуктопроводов, происшествий и несчастных случаев на предприятиях, транспорте и в быту, свидетельствует о взаимосвязи геофизических, техносферных и социально-психологических процессов жизнедеятельности, т.е. о ноосферном характере этих процессов. Научный задел по решению этих проблем с точки зрения фундаментальной науки принадлежит русским ученым С.А. Подолинскому (1850-1891) и академику В.И. Вернадскому (1863-1945), чьё наследие было развито многими учеными мира в прошлом столетии, и может быть реализовано в ХХI веке ^[13,14].

Как показали результаты наших исследований, в России (таб.2-4) основной экологический ущерб наносится транспортными инфраструктурами и теплоэнергетикой: 97,24% токсичных выбросов (нормируемых) – 48,18% и 49,06% соответственно, 98,92% СО2, Н2О и др. (не нормируемых) – 49,59% и 49,33% соответственно. При этом, несмотря на международные Конвенции, ни в России, ни за рубежом выбросы углекислого газа и воды не считаются «вредными», поэтому нет официальной методологии их учета, а, следовательно, и адекватных экономических рычагов по снижению вреда от выбросов СО2 и Н2О, но главное - отсутствуют даже оценки «вреда от убыли кислорода» из атмосферы ^[1,3,15].

Таблица 2 - Нормируемые стандартами выбросы (тыс.тонн в год)

Таблица 3 - Ненормируемые стандартами выбросы (тыс. тонн в год)

Таблица 4. Сравнительные данные с населением России

Полученные нами данные (таб.4) свидетельствуют о том, что 146 миллиона россиян «потребляют» О2 (30,08%) и «выделяют» СО2 и Н2О (31,45%) менее 1/3 того, что «выжигает» (68,79%) и «выбрасывает» транспортно-энергетическая структура России!

Следовательно, инновационную модернизацию экономики надо начинать с решения проблем организации безопасной жизнедеятельности и её необходимо проводить не в соответствии, а вопреки современным тенденциям научно-технического прогресса, которые, к сожалению, не соответствуют фундаментальным наукам о природе, т.к. выражают развитие прикладных наук и техники, удовлетворяющих, в основном, потребительские парадигмы существующихобщественно-экономических формаций ^[4].

Чуть более 100 лет назад компанией «Форд» были выпущены первые серийные автомобили, а сегодня 520 миллионов автомобилей, произведенных за последние 50 лет, выжигают ежегодно 11,89 миллиардов тонн кислорода, выбрасывая в атмосферу 10,91 миллиардов тонн углекислого газа и 4,46 миллиардовтонн воды, а также более 26,0 тераватт тепла в час, если считать, что 50% тепла от двигателей внутреннего сгорания рассеивается. Практически с такой же скоростью нарастало аналогичное «сжигание геосферы» и выбросы в атмосферу теплоэнергетикой ^[5].

Рисунок 1. Модель роста автотранспортного парка и его выбросов

Мы построили модель автотранспортных выбросов с момента начала серийного производства автомобилей (рис.1) и получили практически коррелированный результат с моделью П. Джоунса и Томa М.Л. Уигли глобального потепления из-за «парникового эффекта», если добавить к автомобильному транспорту - железнодорожный, водный, воздушный и космический, а затем удвоить результат, учитывая выбросы тепловой энергетики и «сброс тепла» из-за низкого КПД тепловых машин (рис.2)

Рисунок 2. Модель «парникового эффекта»

Только парниковый эффект «оказался не причем», т.к. расчеты показали ^[1], что прирост массы атмосферы «за счет сгорания геосферы»(топливо транспорта, ГРЭС и ТЭЦ), увеличиваясь ежегодно, составляет в настоящий момент более 15 миллиардов тонн в год: 10,144 миллиардов тонн – транспорт и теплоэнергетика плюс ещё 5,072 миллиарда тонн – дыхание и питание 7-ми миллиардного населения планеты. И если за истекшие 100 лет среднее атмосферное давление (Р) не изменилось, а масса и, следовательно, объем (V) постоянно увеличиваются, то в соответствии с уравнением Менделеева-Клайперона (Ван-дер-Ваальса - для реальных газов) должна увеличиваться температура (T):

или (1)

А дальше, в соответствии с законами термодинамики, атмосфера «приводит себя в равновесное состояние», характеризуемое энтропией – S, т.е. перемещает и перемешивает прибывающие массы выбросоввместо выжигаемого кислорода с помощью ветров, ураганов и бурь, выравнивая их концентрации и плотности, а избыток воды «сбрасывает на Землю» в виде града, снега и дождя. При этом сети дорог и тротуаров, покрытий зданий и сооружений, имеющие значительные коэффициенты черноты, которые строители, в соответствии с «замыслами» архитекторов и дорожно-транспортной науки, делают открытыми, увеличивают турбулентность атмосферы своими конвективными потоками, не хуже, чем это происходит в «долине смерти» на стыке штатов Невада и Калифорния, или в «Аллее торнадо» районов Миссисипи и Огайо, в результате чего – «неожиданные» дожди и ураганы, метели и наводнения, которые наносят обществу огромный социально-экономический ущерб, а воспринимаются - как изменения климата. ^[1,14-16].

Основная причина происходящего заключается в том, что все существующие в мире стандарты и нормы, ориентированы на рассеивание выбросов (транспорта, предприятий, ГРЭС и ТЭЦ) с помощью устройств выброса отработавших и сопутствующих газов, в т.ч. строительства «дымовых труб» соответствующей высоты. Этонарушает три основных природных цикла, обеспечивающих жизнедеятельность на нашей планете: суточно-сезонный цикл круговорота кислорода в системе атмосфера-биосфера-гидросфера, сезонно-годовой цикл круговорота воды и семилетний цикл круговорота углерода в системе атмосфера-биосфера-геосфера/гидросфера ^[1,15].

Следовательно, в связи с тем, что транспорт и теплоэнергетика, «сжигая геосферу»(углеводородное топливо), выбрасывают воду и углерод(окислы углерода) в атмосферу, бороться надо не с выбросами, путем их ограничения и торговли «квотами», как это следует из Киотского Протокола и других политических документов ^[17],а необходимо создавать технологии «возвращения углерода и воды» в геосферу и «компенсации кислорода», поглощаемого из атмосферы.

Естественными поглотителями воды и оксидов углерода из выбросов транспортно-энергетических инфраструктур, являются зеленые насаждения, которые не только снабжают жителей регионов и городов кислородом, но и благотворно влияют на микроклимат. Так за один теплый солнечный день 1 га лесных насаждений поглощает из воздуха 220-280 кг СО2 и выделяет 180-200 кг О2. Зеленые насаждения снижают температуру воздуха и скорость ветра, стабилизируют влажность воздуха. Следовательно, можно локализовать и поглотить «дорожно-транспортно-энергетический вред», а также скомпенсировать выжигаемый кислород, если «оградить» дороги и устройства выбросов, которые необходимо построить вместо труб, специальной посадкой деревьев и кустарников – «биотуннелей», зависящей от интенсивности выбросов, т.е. от «производительности труб» и интенсивности движения транспорта, включая их сезонные изменения. После чего, а лучше одновременно, создать биотехнологические участки и предприятия (например, биогумусные и биотермические), утилизирующие в геосферу продукты опада деревьев и кустарников ^[1,18,19].

Учитывая требования модели адаптивной макросистемы безопасности дорожного движения, в части обеспечения перехода населением улиц райцентров и городов только по пешеходным переходам, и остановки (стоянки) пассажирского автотранспорта не на дорогах, а только в установленном месте, организуя «профилактику указанных нарушений» с помощью сплошной обсадки кустарниками и деревьями обочины дорог, а комбинацией их «вечнозеленых и сезонных» видов – адаптивность «шумоподавления» и «пылезащиты», получим вариант схемы (рис.3) обсадки участка 2-х полосной дороги в городе ^[20].

Рисунок 3. Модель биоархитектуры улицы города

Выделение полосы для движения транспортных средств аварийных служб (пожарных, скорой медицинской помощи, милиции и т.д.) обусловлено тем, что исследования времён прибытия и радиусов выезда на пожары в Ростовской области и Краснодарском крае в 1995-2006 г.г. показали, что днем средняя скорость передвижения пожарного автомобиля составляет 31,2 км/ч, в то время как ночью (при отсутствии движения) – 54,6 км/ч. Следовательно, необходимо увеличить скорость следования оперативных автомобилей к месту происшествия, путем изоляции его в «биотуннелях» от общих транспортных потоков, с реализацией алгоритма «Красная волна» при проездах перекрестков, останавливающего движение пешеходов и транспорта на время их проезда. Математически это описывается той же макроскопической моделью Гринберга скорости транспортного потока - v, в зависимости от плотности автомобилей в нём – ρ , при нулевой плотности потока, которую создает «биотуннель» ^[1]:

(2)

где vс - средняя скорость движения автомобиля в потоке; vо - скорость движения автомобиля при нулевой плотности потока (ρ=0).

При 4-х и 6-ти полосных участках дорог (а также площадей), имеющей в 2-3 раза больше пропускную способность транспортных средств, вариант схемы обсадки участка дороги тиражируется, в соответствии с количеством полос движения. При этом «биотуннель для проезда оперативного транспорта» может быть один, а полосы движения должны разделяться так, чтобы обеспечить закрытие дорожного полотна от солнечных лучей и осадков кронами деревьев, что снижает термо-фотодеструкцию дорог и увеличивает их долговечность, а также устраняет конвективные потоки от покрытий.

Моделирование показало, что за счет обсадки обочин дорог «вечнозелеными и колючими» кустарниками вероятность ДТП с наездом на пешеходов стремится к нулю (около 30% всех ДТП),а за счет посадки сплошного ряда деревьев и кустарников на «осевой линии», прерывающегося только на перекрестке, общее количество ДТП снижается вдвое, т.к. 50% из них вызваны нарушением правил обгона и выездом на встречную полосу.

Следует отметить, что установленные нормативы ограничений скорости движения транспорта в городах и населенных пунктах (40 км/ч, 60 км/ч и т.д.), как и алгоритмы управления светофорами, независящими от плотности транспортных потоков, не являются научно обоснованными, что в совокупности с отсутствием «обратной связи от транспортных средств», является главной причиной ДТП и образования «пробок» ^[3].

Проведенный анализ существующих дорожно-транспортно-энергетических инфраструктур позволил синтезироватьновые принципыих формирования, «отслеживающие» и минимизирующие увеличение энтропии в них (S), через функцию суммарного «производства энтропии» (∆S=∑∂iS/∂Yj·dYj/dt), которая связана с вероятностью возникновения флуктуаций (по Пригожину), а в нашем случае с вероятностью «вреда» (дорожно-транспортного, энергетического и т.д.), формулой Эйнштейна ^[21]:

P = B exp(∆S/k), где k – постоянная Больцмана, В – функция «вреда». (3)

Указанный принцип «переворачивает с головы на ноги» общепринятые подходы к формированию дорожно-транспортной инфраструктуры, т.к. оказывается, что дорожная структура, включая качество дорожных покрытий, не является главной - в причинах и последствиях дорожно-транспортных потерь (S → min, ∆S → 0, P → В).

Феноменологически это означает, что при отсутствии транспорта, дороги – практически безопасны, а дорожно-транспортный вред (ДТВ), помимо погодных условий, зависит ^[1,20]:

- от количества (∂₁S/∂Nj·dNj/dt), скорости (∂₂S/∂Vj·dVj/dt), веса (∂₃S/∂Pj·dPj/dt) и колесной формулы транспортных средств (∂₄S/∂Jj·dJj/dt),

- от вида и количества расходуемого ими топлива (∂₅S/∂Mj·dMj/dt – через условную тонну топлива),

- от количества (∂₆S/∂nj·dnj/dt) и скорости передвижения пешеходов (∂₇S/∂vj·dvj/dt).

При этом соответствие нагрузок на дороги и прилегающие экосистемы, включая затраты на их «биоархитектуру», могут рассчитываться по модели Леонтьева, адаптированной для этих целей (таб.5).

Таблица 5. Модель межотраслевого баланса ДТВ в г. Ростове-на-Дону

Отрицательные параметры баланса (условно чистой и конечной продукции зеленых насаждений – потребления углекислого газа и выделения кислорода) свидетельствуют о том, что существующие 7,1 тыс.га зеленых насаждений Ростова-на-Дону не справляются с поглощением углекислого газа, пыли и воды от дорожно-транспортной инфраструктуры города, а также не компенсируют кислород, расходуемый 321,2 тыс. ед. транспортных средств и 1,1 млн. чел. населения ^[1,20].

Аналогичные результаты были получены для Санкт-Петербурга, в котором проживает свыше 5,0 млн. человек и передвигается 1,3 млн. автомобилей ^[22].

Из-за свойства аддитивности энтропии интенсивность ДТВ и вероятность социально-экономических потерь скачкообразно возрастают при нарушении равновесия в дорожно-транспортной инфраструктуре, т.е. при несоответствии кинетических параметров грузопассажирских и транспортно-пешеходных потоков – погодным условиям и допустимым нагрузкам на дороги и прилегающие экосистемы.

С инженерно-технической точки зрения это означает, что безопасность передвижения должна определяться, во-первых, системой управления движением, если ее понимать, как управление соответствием параметров дороги и прилегающей экосистемы - передвигающимся/стоящим автомобилям и пешеходам между собой, во-вторых, текущей опасностью каждого автомобиля, т.е. несоблюдением соответствия установленной скорости передвижения, загрузки, колесной формулы, вида и количества израсходованного топлива - погодным условиям, состоянию автомобиля и водителя, и только, в–третьих, структурой и текущей опасностью дороги, которые зависят от её размеров, эксплуатационной устойчивости (деградации покрытия) и изменений механических параметров из-за климатических факторов, которые учитываются в формуле (3) полиномом В.

С экономической точки зрения это означает, что ни объем двигателя, ни «его лошадиные силы» (что общепринято в России и за рубежом) не определяют ни пользу, ни вред транспорта, и поэтому не могут определять ни транспортный налог, ни дорожный, ни таможенные пошлины и т.д., т.к. вред окружающей среде наносится видом и количеством сгоревшего топлива, весом, колесной формулой и скоростью передвижения транспорта.

С правовой точки зрения это означает, что все параметры для определения функции производства энтропии при передвижения, включая «дефектность дорожного покрытия и человеческого фактора» (путем хроно-био-диагностики водителя), необходимо «снимать» пассивной локацией «радиоидентификаторов» (радиоканала и бортового компьютера с комплектом датчиков и устройств «БАКСАН»: Блочной Адаптивной Коммуникационной Системой Автотранспортной Навигации), установленных на каждом транспортном средстве, которые передают данные в центр управления движением в реальном масштабе времени, для принятия оперативных мер, как только автотранспортное средство «нарушило» указанные соответствия, фиксируемые в системе «радиознаками» и «радиосветофорами». Следовательно, общепринятый сегодня в мире принцип «принадлежности средств системы управления только дороге» является тупиковым, и должен быть изменен на принцип «принадлежности и автомобилю средств системы, управляющей транспортно-пассажирскими потоками» ^[1,23].

Синергетическое решение указанных инженерно-экономико-правовых проблем привели к созданию модели системы адаптивногодорожно-транспортно-экологического налогообложения (САДТЭН), которую следует ввести, и которая должна быть системой «местного налогообложения» (вместо всех дорожно-транспортных, включая «автогражданку»), т.к. зависит и рассчитывается для конкретной дорожно-транспортной инфраструктуры района (города) по «сезонной производительности» экосистем, численности населения и транспорта, а также динамики их передвижения, и распределяется на мероприятия (работы) по повышению безопасности этой конкретной инфраструктуры, где «налогооблагаемая база» передвигается ^[20,24].

При этом максимум самоорганизации САДТЭН (минимум функции производства энтропии в дорожно-транспортной инфраструктуре) был достигнут тогда, когда удалось формализовать модель адаптивной маршрутизации движения городского пассажирского транспорта в соответствии с плотностью пассажиров на остановках. Это стало возможным, благодаря наличию в каждом транспортном средстве датчиков «загрузки салона» («БАКСАН») и контроля его координат («КАПКАН»), т.к. в этом случае получалась упрощенная модель расчета с конечным числом уравнений и переменных, когда бимодальные распределения плотности пассажиров в течение суток на остановках, в соответствии с теорией массового обслуживания, были аппроксимированы 2-мя распределениями Эрланга (до полудня, и после полудня) и решались в реальном масштабе времени совместно с Эрланговскими уравнениями плотности транспортных средств на маршрутах ^[19,20].

Таким образом, помимо вероятностно-физической реализации идеальной Линдаловской модели налогообложения и, превращения в макросистеме «КАСКАД» городского пассажирского транспорта в публичное благо, т.е. введения САДТЭН и проезда без оплаты для всех граждан, синергетическая организация (реорганизация) дорожно-транспортной инфраструктуры городов и населенных пунктов позволила прийти к следующим, фундаментальным, с точки зрения общественно-экономических формаций, выводам, которые следует принять и начать реализовывать указанными выше инновациями ^[1,3,19-25]:

1. Дорожно-транспортные инфраструктуры не могут быть объектом рыночных отношений, т.к. целевая функция рынка это максимизация прибыли, в связи с чем, его самоорганизация на два порядка хуже, чем это требуется для безопасности дорожного движения, и на четыре порядка хуже, чем у адаптивных систем управления движением, целевой функцией которых является минимизация энтропии передвижения.

2. Дорожно-транспортные инфраструктуры должны представлять собой «публичное благо» (дороги, переходы, системы управления движением и т.д.) и обеспечение их оптимального функционирования, включая все виды ответственности и компенсации потерь, - обязанность государства, которое «формирует законы и придумывает правила» передвижения в них, независимо от типа общественно-экономической формации.

3. Исполнительные органы государственной власти, в условиях рыночных отношений, могут быть «заказчиками» у любых юридических и физических лиц, которые хотят и могут создавать «коллективные и частные блага» в этой области (государственные и частные: изготовители транспортных средств, производители транспортных, дорожных, торговых, сервисных услуг и т.д.), в рамках указанного «публичного блага», но должны полностью отвечать за потери в созданной «под их руководством» дорожно-транспортной инфраструктуре, а не перекладывать ответственность на страховые компании и участников передвижения.