Нейросетевое моделирование энергоэффективности региональной экономики в условиях пандемии как консигнатора экономической безопасности России

Введение. Опережение мировых тенденций научно-технологического развития Российской Федерации относится к приоритетам государственной политики в области обеспечения национальной безопасности, в том числе экономической безопасности [2–6, 11, 13–15, 23, 25, 29] (Balabanov, Strongina, 2004; Bukhvald, 2021; Gorodetskiy, 2018; Karavaeva, Kazantsev, Kolomiets, Frenkel, Bykovskaya, Ivanov, Lev, Kolpakova, 2020; Lev, Leshchenko, 2020; Letyagina, Pertseva, Belova, 2015; Senchagov, Ivanov, 2016; Kraufman, Rousseeuw, 2005). Это особенно важно на современном этапе развития экономики в условиях глобальных вызовов в целях выполнения Указа Президента России от 01.12.2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» [12] (Kuznetsov, Perova, Umilina, 2019) для выполнения прорывного инновационного научно-технологического развития сраны. К главным угрозам экономической безопасности относятся неопределенность и последствия пандемии во всем мире.

Российская Федерация опережает большинство стран в осуществлении мер по недопущению массового распространения коронавирусной инфекции, однако пандемия кардинальным образом изменила повседневный образ жизни. Среди негативных последствий пандемии следует отметить и вескую нагрузку на систему здравоохранения, и экономические потери [7, 16, 20, 21, 24] (Gorodetskiy, 2020; Letyagina, 2017; Mityakov, 2020; Perova, 2012; Urinson, Kozhukhovskiy, Sorokin, 2020). На восстановление экономики в современном мире существенное влияние оказывает состояние электроэнергетики, которая представляет собой сложный технологический энергокомплекс, в значительной мере характеризует состояние всей экономики и тем самым образ жизни населения [8, 10, 17, 27] (Golovnin, Arbuzov, 2016; Karavaeva, Ivanov, Lev, 2020; Letyagina, Perova, 2021; Brown, Cowling, 2021). Для наиболее рационального использования энергетических ресурсов в Европе функционируют два масштабных энергообъединения: ENTSO-E и ЕЭС/ОЭС Восточная. Энергообъединение ENTSO-E состоит из Северной NORDEL и Западной UCTE. Энергообъединение ЕЭС/ОЭС (Единая энергетическая система / Объединенные энергетические системы) – это ЕЭС России в комплексе с энергосистемами стран СНГ, Балтии и Монголии. ЕЭС России является одним из уникальных и громадных энергообъединений по неординарным качественным и количественным характеристикам, которые созданы в мировой электроэнергетике. Управление таким объединением относится к весьма сложной инженерной задаче. В структуру Единой энергетической системы России входят семь ОЭС [1]: ОЭС Центра, ОЭС Северо-Запада, ОЭС Юга, ОЭС Средней Волги, ОЭС Урала, ОЭС Сибири, ОЭС Востока. При этом ОЭС Востока [19] (Mityakov, Lapaev, Kataeva, Ramazanov, 2019) работает изолированно от остальных шести, называется «Второй синхронной зоной» и состоит из территориально изолированных энергосистем Чукотского автономного округа, Камчатского края, Сахалинской области, Магаданской области, Норильско-Таймырского и Николаевского энергорайонов, энергосистемы северной части Республики Саха (Якутия). На рисунке 1 представлен показатель выработки электроэнергии в ОЭС в условиях действия пандемии, который показывает количественное снижение показателя при неизменном характере вида поведения графиков.

Рисунок 1. Выработка электроэнергии ОЭС (млн кВт⋅ч):

1 – ОЭС Центра, 2 – ОЭС, Северо-Запада, 3 – ОЭС Юга, 4 – ОЭС Средней Волги,

5 – ОЭС Урала, 6 – ОЭС Сибири, 7 – ОЭС Востока

Источник: авторская разработка по данным [1].

Рисунок 2 демонстрирует влияние пандемии на показатель потребления электроэнергии в ОЭС.

Рисунок 2. Потребление электроэнергии в ОЭС (млн кВт⋅ч):

1 – ОЭС Центра, 2 – ОЭС, Северо-Запада, 3 – ОЭС Юга, 4 – ОЭС Средней Волги,

5 – ОЭС Урала, 6 – ОЭС Сибири, 7 – ОЭС Востока

Источник: авторская разработка по данным [1].

Из данных (рис. 1, 2) следует, что наибольшие значения показателей выработки и потребления электроэнергии наблюдаются в ОЭС Урала, а наименьшие значения – в ОЭС Востока. Данные на рисунке 3 отражают собственные максимальные потребления мощности в ОЭС, которые практически одинаковы в 2019 и 2020 гг., за исключением ОЭС Центра, ОЭС Юга и ОЭС Урала.

Рисунок 3. Собственное максимальное потребление мощности в ОЭС (МВт):

1 – ОЭС Центра, 2 – ОЭС, Северо-Запада, 3 – ОЭС Юга, 4 – ОЭС Средней Волги,

5 – ОЭС Урала, 6 – ОЭС Сибири, 7 – ОЭС Востока

Источник: авторская разработка по данным [1].

Следует отметить, что экономическая политика регионов должна быть направлена на преодоление кризиса пандемии, смягчение ее последствий и отвечать требованиям экономической безопасности России. В связи с этим в целях обеспечения поступательного и устойчивого развития региональной экономики РФ и совершенствования экономической безопасности страны, согласно Указу Президента РФ от 13.05.2017 № 208 «О Стратегии экономической безопасности Российской Федерации на период до 2030 года» [30] (Letiagina, Perova, Orlova, 2019), необходимо исследование состояния энергоэффективности экономики регионов России.

Целью настоящей работы является анализ и оценка энергоэффективности региональной экономики Российской Федерации в условиях пандемии как детерминанта экономической безопасности страны с применением технологий искусственного интеллекта. В качестве объекта исследования выступают 85 регионов РФ, а предмет исследования – состояние их электроэнергетики и вида экономической деятельности «Обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха». В работе разработана креативная авторская методика кластерного анализа на основе нейросетевого моделирования. Исследование состояния экономики в регионах России осуществлялось на основе комплекса восьми показателей за 2019 г. Среди разных типов нейронных сетей нами были взяты нейронные сети – самоорганизующиеся карты (СОК) Кохонена [9, 18, 26] (Golovnin, 2021; Yashin, Borisov, 2019), синтезирование которых было проведено с использованием информационных технологий – аналитического пакета Deductor. Самоорганизующиеся карты относятся к мощному аналитическому инструменту, который обеспечивает кластеризацию многомерных гетерогенных данных и проецирование их с поддержкой топологического подобия в двумерное пространство. Это делает возможной визуализацию многомерных данных на плоскости.

При кластеризации исходных данных необходимо нахождение оптимального кластерного решения, показывающего разделение множества объектов на сомкнутые группы, называемые кластерами. При этом необходимо выполнить три правила [31] (Pankratov, Trifonov, 2022):

- каждый объект должен находиться только в одном из кластеров;

- объекты внутри одного кластера близки друг другу по рассматриваемым показателям;

- между объектами из разных кластеров присутствуют явные различия.

Релевантность использования методов искусственного интеллекта вызвана тем, что исходные данные не всегда описываются нормальным законом распределения (законом Гаусса). Кластерный анализ на базе нейронных сетей является свободным от модельных ограничений и способствует продуктивному осуществлению исследования многомерных статистических данных.

Анализ результатов нейросетевого кластерного анализа региональной экономики Российской Федерации. Для проведения нейросетевого моделирования развития региональной экономики РФ были применены данные по 85 регионам РФ за 2019 г., предъявленные, согласно методологии статистического учета, на сайте Федеральной службы государственной статистики [28] (Kohonen, 1982):

- Х1 – мощность электростанций (млн кВт);

- Х2 – производство электроэнергии (млрд кВт⋅ч);

- Х3 – структура объема отгруженной продукции (работ, услуг) по виду экономической деятельности «Обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха»: производство, передача и распределение электроэнергии (%);

- Х4 – объем отгруженных товаров собственного производства, выполненных работ и услуг собственными силами по виду экономической деятельности «Обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха»: государственная собственность (в % к итогу);

- Х5 – объем отгруженных товаров собственного производства, выполненных работ и услуг собственными силами по виду экономической деятельности «Обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха»: частная собственность (в % к итогу);

- Х6 – удельный вес убыточных организаций по виду экономической деятельности «Обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха» (% от общего числа организаций);

- Х7 – рентабельность проданных товаров, продукции (работ, услуг) организаций по обеспечению электрической энергией, газом и паром; кондиционированию воздуха (%);

- Х8 – индексы производства по виду экономической деятельности «Обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха» (% к 2018 году).

Система этих показателей позволяет интегративно оценить развитие энергоэнергетики в регионах РФ и ее влияние на состояние экономической безопасности.

На рисунке 4 представлен результат кластеризации объектов – ранжировка 85 регионов России по пяти кластерам.

Рисунок 4. Самоорганизующаяся топологическая карта нейронов за 2019 г.

Источник: авторская разработка.

Объективная оценка качества полученного кластерного решения проверялась с использованием индекса силуэта [22] (Perova, Perova, 2018), который показал отсутствие перекрытия кластеров. Кроме того, из данных кластеризации, приведенных на рисунке 4, видно, что нет перекрытия кластеров, т.е. отсутствуют так называемые спорные объекты, которые могли бы относиться к нескольким кластерам. Это подтверждает обоснованность полученных результатов кластеризации.

Количество регионов РФ в кластерных образованиях и состав кластеров иллюстрирует таблица 1.

Таблица 1

Количественный состав и структура региональных кластеров

Российской Федерации в 2019 г.

Данные в таблице 1 свидетельствуют, что имеется сильная неравномерность распределения регионов по кластерам. При этом конструкция кластерных образований не зависит от принадлежности регионов к федеральным округам Российской Федерации. Наибольшее число регионов вошло в состав кластера № 5, а наименьшее – в состав кластера № 4.

Рисунок 5 и таблица 2 иллюстрируют статистику средних значений анализируемых показателей по кластерам.

Рисунок 5. Карты входов, отражающие основные характеристики распределения данных

в восьмимерном пространстве

Источник: авторская разработка.

На рисунке 5 цветовые переходы от синего цвета к красному цвету означают увеличение значений показателей; зеленый цвет соответствует средним значениям показателей.

Таблица 2

Средние значения показателей, характеризующие энергоэффективность региональной экономики России за 2019 г.

Из данных (рис. 5, табл. 2) следует, что регионы кластеров № 2, № 4 и № 5 характеризуются низкими значениями мощностей электростанций, производства электроэнергии, объемов отгруженных товаров собственного производства, выполненных работ и услуг собственными силами (государственная собственность), индексами производства по виду экономической деятельности «Обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха». Регионы, вошедшие в кластер № 1, обладают показателями состояния электроэнергетики на уровне, в основном превышающем средние значения, за исключением показателя объема отгруженных товаров собственного производства, выполненных работ и услуг собственными силами: государственная собственность и показателя индекса производства по виду экономической деятельности «Обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха». Регионы кластеров № 2, № 3 и № 5 имеют средние показатели по структуре объема отгруженной продукции и по рентабельности проданных товаров, продукции. Кроме этого, регионы, образовавшие кластеры № 3 и № 5, а также регионы кластера № 4 находятся на уровне средних значений и выше по объему отгруженных товаров собственного производства, выполненных работ и услуг собственными силами: частная собственность. Однако в этих регионах наблюдается значительное число убыточных организаций по виду экономической деятельности «Обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха».

Заключение

Проведенное исследование обеспечило надлежащую научную и практическую основу для анализа состояния электроэнергетики региональной экономики в контексте обеспечения экономической безопасности Российской Федерации. Предложенный в работе оригинальный авторский метод кластерного анализа многомерных статистических данных на базе нейросетевого моделирования представляет собой эффективный метод исследования, который не обременен модельными ограничениями. Применение технологий искусственного интеллекта позволило выявить сепарирование регионов России по рассматриваемой совокупности показателей энергоэффективности в условиях пандемии.

Полученные результаты констатируют, что для дальнейшего развития энергоэффективности региональной экономики России необходим новый организационно-управленческий подход, который адекватен актуальным задачам и глобальным вызовам внешних обстоятельств. Например, среди актуальных задач можно отметить следующие задачи.

1. Повышение электровооруженности труда работников промышленных предприятий и организаций. Рисунок 6 демонстрирует динамику элетровооруженности труда работников промышленных организаций в разрезе федеральных округов Российской Федерации, которая свидетельствует о негативном влиянии пандемии в 2019 г. Однако несмотря на пандемию, в 2020 г. наблюдается небольшой рост данного показателя по сравнению с 2019 г. в Северо-Западном, Южном, Северо-Кавказском и Дальневосточном федеральных округах.

Рисунок 6. Динамика электровооруженности труда работников промышленных организаций

за 2018–2020 гг. (кВт⋅ч): 1 – Центральный федеральный округ, 2 – Северо-Западный федеральный округ, 3 – Южный федеральный округ, 4 – Северо-Кавказский федеральный округ, 5 – Приволжский федеральный округ, 6 – Уральский федеральный округ, 7 – Сибирский федеральный округ, 8 – Дальневосточный федеральный округ

Источник: авторская разработка по данным [28] (Kohonen, 1982).

2. Достижение максимального эффекта снижения потерь в электрических сетях при транспорте электрической энергии.

3. Увеличение мощности и расширение обслуживаемых территорий, например в Сибирском и Дальневосточном федеральных округах.

4. Разработка и внедрение новых технологий в генерации, преобразовании, транспорте и распределении электрической энергии.

Несомненно, решение этих задач требует и научных разработок, и больших финансовых вложений. За последние десять лет введены в действие ряд стержневых документов, касающихся инновационного развития и модернизации электроэнергетики, реализация которых будет способствовать повышению энергоэффективности экономики России и экономической безопасности страны.

Результаты работы могут быть полезны органам государственной власти федерального и регионального уровней при принятии оперативных управленческих решений. Кроме этого, результаты, полученные в ходе проведения кластерного анализа на основе нейронных сетей, рационально использовать при прогнозировании магистральных показателей энергоэффективности экономики Российской Федерации.