НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

 

Шульгин Н.Б. (СФУ, г. Красноярск, РФ)

 

We define the direction of development of transport systems, which are caused by changes in the technological environment. Also solved the problem of synthesizing a promising transport system for undeveloped land transport infrastructure areas.

 

В процессе развития техники для каждого технологического уклада создавался оптимальный набор средств транспорта, который обладал наилучшим соотношением «цена/качество» для своего времени. В современной технологической среде произошли существенные изменения, которые вызваны новыми достижениями в различных отраслях науки и изменениями в экономической среде. Промышленно освоены микро – технологии и нано – технологии, обусловившие массовое производство новых материалов и приборов с высокими эксплуатационными характеристиками. При этом сильно выросла стоимость традиционных энергоносителей, что привело к кризису и сокращению в отраслях, использующих углеводородное сырье, и стимулировало поиск и развитие альтернативных источников энергии. В данной работе определяются направления развития транспортных систем, которые обусловлены этими изменениями. Также решается задача синтеза перспективной транспортной системы, и определяются ее характеристики.

На портале http://ru.wikipedia.org/wiki/Портал:Транспорт приведен исчерпывающий перечень, реализованных в настоящее время, транспортных систем с реальными характеристиками. Если исключить из рассмотрения транспорт информации по электромагнитным каналам, то во всех приведенных системах можно выделить 13 независимых базовых характеристик, определяющих «геном» транспортного средства и его конструкционные и эксплуатационные свойства. Полный список базовых характеристик и их возможных значений приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Характеристики транспортной системы

N	Базовая характеристика	М	Значение базовой характеристики
1	Путь (канал) сообщения	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11	Естественная земная поверхность Наземная дорога Железная дорога Магнитная дорога Канатная дорога Трубопровод Тоннель, шахта Водная поверхность Подводное пространство Воздушное пространство Космическое пространство
2	Физическая размерность пути (канала) сообщения	1 2 3	Одномерный Двумерный Трехмерный
3	Вид используемой энергии	1 2 3 4 5 6 7	Биомеханическая энергия Биохимическая энергия Механическая энергия газов Механическая энергия жидкостей Энергия химических реакций Энергия электромагнитных полей Атомная энергия
4	Движитель	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13	Ноги, шагающие механизмы Полоз, лыжа Колесо Крыло Плавник Волновой движитель Парус Поплавок Винт лопастной, турбина Шнек Канат, цепь Поток (ионов, газа, воды) Реактивный поток (ионов, газа, воды)
5	Внутренняя структура	1 2 3 4 5 6	Хаотичная Линейная Иерархическая Сетевая Матричная Унитарная
6	Связи с внешним окружением	1 2 3	Без связей Слабые – делимые Сильные – неделимые
7	Динамическая схема	1 2	Статическая Астатическая
8	Статус во внешнем окружении	1 2	Пассивный Активный
9	Тип управления	1 2 3	Неуправляемый Пилотирование Автоматическое управление
10	Характер движения подвижных элементов	1 2 3	Дискретный асинхронный Дискретный синхронный Непрерывный
11	Кратность использования	1 2	Одноразовое Многоразовое
12	Цели/результаты использования	1 2   3 4 5 6 7 8	Перемещение грузов и/или пассажиров Хранение грузов и/или проживание пассажиров Передача почтовых отправлений Исследование территорий Поиск различимых объектов Наблюдение различимых объектов Нападение/защита от нападения Преследование/уход от преследования
13	Масштаб функционирования в пространстве	1 2 3 4 5 6	Локальный Региональный Национальный Межнациональный Глобальный Межпланетный

        

В различных режимах работы большинства транспортных систем базовые характеристики, как правило, имеют одно значение. Это соответствует основному режиму работы, имеющему лучшее соотношение «цена/качество». Например, классический автомобиль с двигателем внутреннего сгорания имеет фиксированный набор значений базовых характеристик во всех режимах работы. Полное множество транспортных систем, у которых базовые характеристики имеют одно значение, содержит количество элементов Q1 равное числу комбинаций тринадцати значений базовых характеристик по одному из каждой группы N. Оно равно произведению чисел возможных значений характеристик из таблицы 1:

Q1 = 11*3*7*13*6*3*2*2*3*3*2*8*6 = 186810624.

Многие системы имеют несколько режимов работы с различными значениями базовой характеристики, которые между собой имеют связь по правилу «ИЛИ». Например, самолет может попеременно двигаться в разных средах; или летать по воздуху или ездить по аэродрому. Также один и тот же автомобиль может попеременно использоваться для разных целей – перевозки пассажиров, грузов, почты, грабителей или полицейских. Некоторые транспортные системы имеют режимы работы с различными значениями базовой характеристики, которые между собой имеют связь по правилу «И». Так, высота полета самолета обеспечивается работой крыла, а дальность полета самолета обеспечивается работой реактивного потока, при этом успешный полет возможен только при наличии и работе обоих движителей.

Каждое дополнительное значение базовой характеристики увеличивает функциональность и стоимость системы. Стоимость комплексирования значений базовой характеристики по операции «ИЛИ» всегда дешевле комплексирования по «И» при неизменных значениях других базовых характеристик, т.к. переключатель режимов работы всегда дешевле многосвязного управления одновременной работой нескольких устройств. Таким образом, для полноты решения задачи непараметрического синтеза необходимо учесть транспортные системы, имеющие в своем составе по два значения каждой базовой характеристики, т.к. третье и последующие значения базовой характеристики являются чрезмерной избыточностью и эффективных систем с такой избыточностью не найдено.  Количество таких систем Q2 равно произведению сочетаний из MN по 2 и составляет величину 45972927000.

Существовать Q1+Q2 транспортных систем не может т.к. объединение большинства значений базовых характеристик в одной системе либо практически неосуществимо, либо требует колоссальных затрат и заведомо неэффективно. Летать в воздухе или в безвоздушном пространстве используя биомеханическую или биохимическую энергию принципиально невозможно из-за малой мощности двигателя, а перемещаться в грунте возможно только с использованием шнека или волнового движителя кольчатых червей, который технически не реализован. Путем компьютерного перебора и анализа совместимости, состоятельности и эффективности всех наборов значений базовых характеристик были выбраны 200 вариантов транспортных систем для современных технологических и экономических условий и 200 вариантов для прогнозных условий. Современные варианты на 95% совпали с современными реализованными системами и на 5% совпали с нереализованными системами, описанными в патентной литературе. Прогнозные варианты содержали несколько систем, обладающих совместимыми и реализуемыми базовыми характеристиками и не описанных в патентной литературе.

Для территорий с неразвитой наземной транспортной инфраструктурой была определена транспортная система со следующими значениями базовых характеристик:

1.    Путь (канал) сообщения – воздушное пространство.

2.    Физическая размерность пути (канала) сообщения – трехмерный.

3.    Вид используемой энергии – механическая энергия газов и энергия химических реакций.

4.    Движитель – поплавок и винт лопастной.

5.    Внутренняя структура – линейная и матричная.

6.    Связи с внешним окружением – слабые.

7.    Динамическая схема – статическая.

8.    Статус во внешнем окружении – активный или пассивный.

9.    Тип управления – пилотирование и автоматическое управление.

10.                       Характер движения – дискретный асинхронный и непрерывный.

11.                       Кратность использования – многоразовое или одноразовое.

12.                       Цели/результаты использования – перемещение грузов и/или пассажиров или исследование территорий.

13.                       Масштаб функционирования – региональный и национальный.