Концепция развития структур железнодорожных транспортных комплексов

Современная тенденция применения системного подхода при исследовании процессов функционирования и развития систем любого класса — это не вызывающий никаких сомнений реальный факт.

В конце ХХ века и в начале ХХI века в общей методологии системного анализа выделяются два макроподхода в развитии системного мышления.

Первый макроподход (общая теория систем, кибернетика) изучает устойчивость и равновесие систем, основные акценты здесь сделаны:

- на построении универсальных теоретических концепций, описывающих все возможные типы систем (общая теория систем) или общие свойства живых и неживых систем (кибернетика);

- широком использовании метода моделирования, а впоследствии — компьютерного моделирования;

- ориентации на биологические, технические, социальные, частично психологические приложения.

Только в 70-80-е годы ХХ века в системном мышлении в полной мере произошел кардинальный поворот. Главная отличительная особенность второго периода развития системных исследований состоит в переходе от исследования равновесных состояний систем к анализу неравновесных и необратимых состояний сложных систем. Этот период в различных литературных источниках также называется переходом от изучения простых к исследованию сложных систем.

В эти годы в научной литературе получили известность ранние исследования по неустойчивым динамическим системам, теория неустойчивых необратимых термодинамических систем И. Пригожина, теория катастроф Р. Тома и В.И. Арнольда, синергетика Г. Хакена, теория хаоса и аналогичные концепции. Их основная цель — разработка теоретических и методологических средств понимания хаоса, необратимости, нелинейности, неустойчивости, неравновесности и порядка.

Согласно этим представлениям, объектами современного системного исследования являются сложные динамические системы, состоящие из большого числа взаимодействующих частей (подсистем). Стационарное, т.е. не зависящее от времени, состояние таких систем, как правило, неустойчивое: отклонение от такого состояния растет с течением времени. В области неустойчивости даже малые воздействия могут вызывать в структуре системы необратимые изменения.

В последние десятилетия начало формироваться новое научное направление, получившее название синергетика. Этот термин происходит от греческого слова «синергиа» — содействие, сотрудничество, кооперация и введен в научный обиход немецким физиком Германом Хакеном. Данное научное направление претендует на роль самоорганизации термодинамически неравновесных структур. Основной акцент в синергетике переносится со взаимодействия элементов сложной системы на внешние эффекты, порождаемые структурными изменениями. Эти эффекты принято называть синергетическими или кооперативными. Главная особенность синергетических эффектов — упорядоченность, целенаправленность поведения сложной системы при относительной хаотичности поведения отдельных элементов.

Отметим, что еще одна важная особенность современного системного анализа при моделировании развивающихся сложных систем связана с таким понятием, как состояние.

Здесь необходимо отметить следующее. В зависимости от степени абстрагирования при описании технико-технологических свойств транспортных комплексов необходимо различать два основных иерархических уровня: верхний (макроуровень) и нижний (микроуровень). Так как транспортные комплексы (железнодорожная сеть, железнодорожные направления и участки, железнодорожные станции и узлы) относятся к числу сложных динамических систем, то в них можно выделить два уровня описания состояний этих систем: нижний (микроуровень), где преобладают случайные процессы, и верхний (макроуровень), где случайные процессы как бы сливаются в детерминистические.

При микроскопическом подходе предполагается детальное изучение структуры транспортных комплексов в окрестности их стационарного (устойчивого) состояния. Здесь исследуются неделимые по функциональному признаку компоненты (например, горловины парков, парки путей) таких комплексов. При этом, естественно, каждый компонент рассматривается как система, состоящая из множества функциональных однотипных элементов одной и той же физической природы (пути, стрелочные переводы), взаимодействующих между собой и находящихся под воздействием внешней среды и других элементов комплекса, также являющихся внешней средой по отношению к другим компонентам.

На макроуровне исследуемый объект рассматривают как динамическую систему с сосредоточенными параметрами. При таком подходе описание состояния любой системы абстрагируется от внутреннего строения, т. е. система рассматривается как «черный ящик».

Как показали наши исследования, при прогнозировании процессов развития станции и узлов на достаточно больших интервалах времени на первый план выходит именно макроскопический подход описания состояний этих систем. При этом мы должны определить такие макроскопические величины, не сводимые к сумме микроскопических величин, которые могут однозначно описать состояние техническо-технологи­ческой структуры определенного класса транспортных комплексов.

Таким образом, процессы как формирования, так и развития структур транспортных комплексов могут быть наиболее адекватно исследованы и математически описаны только в рамках современных принципов системного анализа развивающихся сложных систем. Нижеследующие принципы исследования процессов формирования и развития таких сложных транспортных комплексов, как железнодорожных станций и узлов, будут идти именно в рамках этих новых представлений.
Системные принципы формирования структур железнодорожных станций и узлов

К началу 30-х годов ХХ века в станционной науке определенно осмысливалась идея процессов построения схем и развития станций и узлов. Были выработаны в основном понятия структуры, в какой-то мере отделены процессы развития от процессов расширения.

Были сформулированы следующие основные принципы формирования структур железнодорожных станций:

а) составление «элемента» станции, из которого в дальнейшем конструируется схема;

б) составление сочетаний «элементов», т.е. получение максимальных схем;

в) упрощение и рационализация схем за счет объединения и слияния отдельных устройств;

г) выявление неизбежных внутренних пересечений, возникающих благодаря объединению устройств;

д) исключение явно неудобных схем.

При этом основные идеи формирования структур станций и узлов должны опираться на взаимодействия типа «поток транспортных единиц « технические устройства». С таких позиций железнодорожные станции и узлы имеют следующие структурные особенности:

- их границы в пространстве, как правило, четко очерчены и в значительной степени определяются внутренними особенностями структур самой системы;

- структура таких транспортных комплексов имеет четкую морфологию (некая зафиксированная в пространстве, наблюдаемая, физически реализованная совокупность звеньев структуры системы);

- основные потоки транспортных единиц между компонентами (элементами) таких систем осуществляются по определенным каналам, локализованным в пространстве.

При рассмотрении процессов формирования станций и узлов также особое значение приобретают топологические (геометрические) признаки их структур. Результатом таких подходов является возможность выработки основных принципов структурного анализа таких организованных транспортных комплексов, как железнодорожная станция или железнодорожный узел.

Например, при классификации 100 крупнейших железнодорожных узлов СССР профессор С. В. Земблинов и его ученики пришли к следующим результатам.

Крестообразных 5

Вытянутых в длину 27

Кольцевых 1

С параллельным расположением станций 1

Комбинированных 16

Нетипичных 39

Треугольных 8

При анализе 15 крупных железнодорожных узлов Республики Казахстан мы пришли к таким результатам:

Комбинированных 1

Вытянутых в длину 4

Нетипичных 4

Как видим, при классификации железнодорожных узлов особое значение имеют топологические представления схем данных узлов. Классификации «поддались» простые по геометрической форме узлы: узлы с одной станцией, вытянутые в длину, с параллельным расположением станций, треугольные, крестообразные и кольцевые. Для схем более сложных железнодорожных узлов, т.е. для узлов с более сложной топологией, данная принятая классификация оказалась недостаточной и нам приходится ее усложнить. Другими словами, усложнение топологии есть следствие усложнения структур многих схем транспортных и железнодорожных узлов. Так появились следующие дополнительные типы железнодорожных узлов: тупиковые, радиальные, узлы с параллельными ходами, узлы с неполным кольцом.

В работах профессоров Н.В. Правдина и В.Я. Негрей (белорусская школа) процесс формирования и развития структур транспортных узлов предлагается разбивать на четыре крупные теоретические стадии (рис. 1) [1].

Рис. 1. Теоретические стадии развития

При формировании транспортных узлов не обязательны проявления всех теоретических стадий развития. Данное утверждение является очевидным, так как для городов со сложными топографическими условиями: расположенных на берегу больших рек, морей или в горной местности, стадии А и Д являются преобладающими длительное время. Железнодорожные узлы таких городов являются вытянутыми в длину, в которых на внутриузловом ходу располагаются несколько станций (грузовые, технические, пассажирские). Стадии Г и S характерны для узлов крупнейших городов или крупных промышленных центров.

Железнодорожные узлы Казахстана, как показали наши исследования, в основном представляют стадии А и Д.
Особенности процессов развития станций и узлов с позиций современных системных представлений

Процесс развития железнодорожных станций и узлов может идти как по пути простого умножения элементов станционных устройств (т.е. количественного роста системы), так и по пути повышения интенсивности работы путем реконструкции (качественного, скачкообразного изменения) самой структуры станции.

Направления, по которым может происходить количественный рост станции, на примере участковой станции показаны на рис. 2.

Общим для станции (узлов) определенного уровня является то, что в зависимости от цели анализа и оценки их можно рассматривать как:

- целые неделимые образования;

- состоящие из систем низкого уровня, слившихся в результате некоторого свойственного только им взаимодействия;

- станции (узлы), способные за счет присущего им взаимодействия, образовывать «целую» станцию (узел) более высокого уровня.

Формализация структурных уровней преобразований структур станций и узлов оказывается возможной, поскольку мысленно проведены границы между уровнями при соответствующей «остроте зрения» и использованном «масштабе». Именно «масштабирование», подбор соответствующей меры измерения структуры в окрестности определенного уровня позволяют обнаружить контуры станций и узлов данного уровня, их взаимоотношения с такими системами более высокого и низкого уровней, т.е. обнаружить границу скачкообразного перехода с одного уровня на другой, с одной ступени развития на другую.

Теперь остановимся на области, которая разделяет различные уровни. Межуровневая граница — это область, разделяющая и одновременно объединяющая два соседних уровня станций и узлов данной категории. Межуровневое состояние — это граница между уровнями — есть процесс перехода с одного уровня на более высокий за счет характерного только для данной межи взаимодействия. Вместе с тем, очевидно, в образовании станции (узла) высокого уровня участвуют не все подсистемы низкого уровня. С учетом этого важного положения, существующие станции и узлы более высокого уровня представлены компонентами (элементами) разных структурных уровней низшего порядка.

Развитие структуры всех транспортных комплексов периодично, в силу чего и уровнево-межевая схема периодическая, ибо имеет место периодичность проявления при переходе с одного уровня на другой основного свойства таких систем — их целостности. Соответственно, в каждой меже периодически осуществляется другое основное свойство — преобразование техническо-технологической структуры станции (узла), но обязательно приводящее к образованию целого транспортного комплекса.

Периодичность развития станций и узлов имеет еще одно качество: она фиксируется не только в структуре определенного уровня, но и во времени. В межуровневом состоянии поведение станций и узлов специфично, ибо каждое из состояний (межа) имеет собственное начало, продолжительность и окончание.

Предложенная схема развития транспортных комплексов широкого класса имеет некоторую условность. Во-первых, динамика таких объектов в пределах одного и того же межуровневого состояния достаточно сложна. Во-вторых, остается открытым вопрос о самых общих механизмах смены состояний.

Остановимся на этом моменте.

Скачкообразная перестройка структуры системы в современной литературе по системному анализу принято называть катастрофой. Катастрофическое изменение ведет к существенной перестройке структуры наблюдаемой системы. Такие радикальные изменения навязываются системе извне или внутренними кризисами. При этом отдельные компоненты транспортного комплекса могут исчезать, а на их месте появляться новые. Системообразующие макроскопические показатели системы меняются значительно и резко.

Следует подчеркнуть, что вышеприведенное описание структурных изменений развивающихся станций и узлов не несет эмоционального оттенка. Оно характеризует только глубину таких изменений. В соответствии с идеологией современного системного анализа с точки зрения категорий цели, катастрофа есть «нежелательное» для системы явление. Однако следует отметить, что катастрофа — прежде всего глубокое изменение структуры системы, имеющее как отрицательные, так и положительные последствия для развития системы.

Итак, процессы развития транспортных комплексов широкого класса (железнодорожная сеть, железнодорожные направления и участки, станции и узлы) на больших временных отрезках сопровождаются структурными перестройками разного масштаба. Таким процессам присуща дискретность. При этом транспортный комплекс может сохранить ряд своих наиболее важных характеристик, она остается целостной и продолжает входить в качестве определенного компонента в состав транспортного комплекса более высокого уровня.

Таким образом, поведение таких систем на больших отрезках времени происходит следующим образом:

- в состоянии равновесия (устойчивости) любой транспортный комплекс может находиться только на одном из межуровневых состояний;

- если развитие происходит, транспортный комплекс, как бы он быстро не развивался, в пределах одного межуровневого состояния проводит более длительное время, чем перескакивая с уровня на уровень;

- с одного уровня транспортный комплекс может перейти только на соседний.

Это не значит, что в реальных условиях может наблюдаться только такое поведение. При постоянном однонаправленном изменении внешних условий такие системы могут не задерживаться долго на одном уровне, а «проскакивать» его, переходя на другое. Такой режим внешних воздействий не меняет общий характер эволюции станций и узлов, но он ускоряет ее темп.

Для внешнего наблюдателя при составлении долгосрочных планов развития транспортного комплекса наиболее важным представляется прогнозирование и управление прежде всего процессом скачкообразного (катастрофического) смены состояний. Следовательно, время и место такого изменения представляется существенной характеристикой развивающихся транспортных комплексов.

Таким образом, процесс развития на примере станций и узлов можно представить как последовательность циклов изменения, со скачкообразным переходом в конце цикла на другой качественный уровень, означающий начало нового цикла развития.

Следствие циклического развития — необратимость, т.е. невозможность перехода от новообразованной структуры к старой разрушенной. Именно необратимость является неотъемлемым свойством процессов развития транспортных структур: при определенных условиях нарушение их естественного протекания ведет к разрушению структуры существующей станции (или узла). При этом также следует учесть, что даже незначительное (кратковременное) нарушение в функционировании таких систем также является необратимым, так как усилия по их устранению сопровождаются необратимыми расходами энергии и ресурсов (считай, капиталовложений) и имеют негативные влияния. Из таких свойств необратимости эволюционных процессов транспортных комплексов вытекает двойственность управления процессами развития: либо необходимо предотвращать скачкообразные изменения на раннем этапе их проявления, применяя управляющие воздействия, тем самым сохраняя существенную структуру станции (узла), либо необходимо «организовать» такие перестройки.

Как известно, динамические системы могут быть линейными или нелинейными. В первом случае система имеет одно единственное стационарное состояние, во втором — множество, в том числе неустойчивые стационарные состояния, которые соответствуют различным возможным структурным состояниям системы и законам ее поведения.

С другой стороны, возникновение неопределенности — типичное свойство нелинейных систем. С этой точки зрения существующая методика описания развития станций и узлов на основе приведенных экономических затрат и их прогнозирования можно отнести к линейным моделям, в которых неустойчивость справедливо отождествляется с несуществованием. Поэтому, по мере перехода к изучению развития транспортных комплексов широкого класса должны быть использованы нелинейные модели, допускающие наличие взаимной связи между устойчивостью и неустойчивостью в виде обмена устойчивостью.

Нелинейность поведения станций и узлов в последующем становится чрезвычайно важной, поскольку делает возможным обмен устойчивостью: стационарное состояние, например, станции (существующая схема и уровень технологии), бывшее до определенного времени устойчивым, становится неустойчивым и исчезает, а устойчивым, и тем самым реализованным, становится другое стационарное состояние станции (с другой схемой и уровнем технологии). Такой обмен происходит в силу неустойчивости структуры транспортных комплексов и под влиянием внешних воздействий, достигающих критических значений. В такой критической точке — в точке качественной перестройки структуры системы — становятся достаточными малые внешние воздействия на систему для того, чтобы она скачкообразно перешла из одного устойчивого состояния, ставшего неустойчивым, в новое устойчивое состояние — более высокий уровень упорядоченности и организации.

Неизбежность неопределенности в процессе прогнозирования развития станций и узлов профессор Ю.И. Ефименко (г. Санкт-Петербург) рассмотрел следующим образом (рис. 2) [2].

Рис. 2. Графическое представление зоны неопределенности переходов различных состояний станций и узлов

Тогда при исследовании развития станций и узлов на первый план выходит изучение неустойчивости стационарных состояний. Именно возможная их неустойчивость — причина неопределенности и сложного поведения таких транспортных комплексов, которые нельзя уложить в какую-либо одну теоретическую концепцию. В этом случае поведение нелинейной транспортной системы, функционирующей к тому же в условиях необратимости времени, становится неопределенным.

На современном этапе, когда в транспортной науке преобладают аналитические подходы моделирования развития, весь процесс выбора решений при развитии, например, станций (узлов) опирается на точное прогнозирование, подобно законам механики. Этот принцип заложен в структуру строгих математических формул оценки этапности развития по приведенным затратам.

Под развитием техническо-технологических структур станций и узлов следует понимать расширение качественных различий, характеризующих состояние системы в различные моменты времени. Характеристики, по которым различаются состояния, — это все компоненты (элементы) и формы их связи, формирующие целостность станции с соответствующей схемой и технологией.

Каждый этап развития станции (узла), в свою очередь, обладает соответствующим значением сложности структуры. В процессе развития таких систем на некотором этапе ее существования сложность структуры уменьшается — возрастает организованность техническо-технологической структуры станции (компактность схемного решения). Другими словами, станция, имея в начале определенного этапа развития некоторые неустойчивости в своем поведении, стремится к «оттачиванию» функциональных связей между подсистемами, что приводит к возрастанию порядка в ее структуре. Такое поведение в развитии станций и узлов соответствует процессам самоорганизации в их структуре.

С переходом на более высокий уровень развития разнообразие потенциально возможных структур станции увеличивается. Станция или узел более высокого уровня обладает большим количеством схемных решений, тем самым и технологическим разнообразием (тем самым и технологическими возможностями), чем система, находящаяся на нижнем уровне. Однако этот процесс не должен перейти определенную границу, когда «заорганизованность» вызовет ужесточение структуры и невозможность дальнейшего преобразования системы.

Как известно, в качестве меры степени хаотичности в теории систем используют понятие энтропии системы, которая связана со статистическим распределением состояний системы.

Так, если разнообразию схемных решений станции или узла придать вероятностный характер, то между энтропией и числом схемных решений (состояний) существует тесная связь и возрастание энтропии соответствует развитию к «наиболее вероятному» состоянию. Так как в процессе эволюции станции (узла) число схемных решений возрастает, то это приводит к тому, что приращение энтропии соответствует возрастанию возможных состояний таких систем. Увеличение разнообразия схемных решений есть следствие изменчивости, присущей станциям (узлам), и возникает в результате действия механизмов развития и, главным образом, скачкообразных изменений.

Отметим, что здесь проявляется некоторое противоречие. С одной стороны, принятые законы эволюции «заставляют» станции и узлы постоянно стремиться к более эффективному использованию внешних условий: переходить к интенсивным технологиям, использовать последние достижения науки и техники и т.д. И те варианты схемного решения, где они реализуются, получают дополнительные и весьма значительные шансы на то, чтобы быть выбранными. Но, с другой стороны, чем сложнее техническо-технологи­ческая структура, тем больше у таких систем параметров, тем больше они подвержены случайностям. Или же повышается вероятность оказаться в критической точке поведения данных объектов. А это не только путь быстрого улучшения структуры системы, но и огромный риск оказаться в ситуации, когда система вообще теряет способность к функционированию. Вот почему одной из основных задач моделирования процессов развития станций и узлов является изучение и выявление критических условий в поведении этих систем.

Нами разработаны и выпущены в свет методические рекомендации по определению моментов структурных перестроек в процессах функционирования и развития транспортных комплексов [3], где приведены методы определения такой критической точки в развитии станций и узлов.

В наших работах, вышедших в свет, были сформулированы основные системные принципы как процесса построения схем станций, так и процесса развития их структур с позиции трех системных свойств ТК:

- целостность (когда конструирование станции или узла производится путем не простого суммирования их элементов, а каждая вновь появившаяся система рассматривается как качественно отличное от остальных);

- иерархичность (построение теоретических положений метода начинается с более простых типов станций и узлов и идет по пути усложнения к более сложным типам таких систем);

- взаимопроникновение и синтез отдельных элементов (путем отбрасывания заведомо не приемлемых вариантов).

Таким образом, резюмируя вышеизложенные принципы современного системного подхода исследования сложных систем, и рассматривая процессы формирования и развития структур железнодорожных транспортных комплексов с таких позиций, можно указать на три группы методических приемов, необходимых для моделирования и управления такими процессами:

- комплекс методов, позволяющих адекватно выделить исследуемый транспортный комплекс как систему в его окружении и количественно оценить их структурные свойства;

- комплекс методов, позволяющих описать состояние структуры развивающихся транспортных комплексов;

- комплекс методов, позволяющих описать скачкообразные изменения в поведении развивающихся транспортных комплексов и определить место и время таких изменений в их структуре на больших временных интервалах наблюдения.

Процессы самоорганизации заставляют думать нас, что существуют определенные законы, которые преобразуют хаотичное поведение в развитии транспортных комплексов в направленную эволюцию от простого к сложному. Тогда общий взгляд на процессы развития структур транспортных комплексов широкого класса (железнодорожные станции и узлы, участки и т.д.) с таких позиций можно представить, как это показано на рис. 3.