Многоэтапный алгоритм разработки управленческих решений по повышению эффективности использования энергии на базе гибридизации естественного и искусственного интеллекта

Одной из основных проблем в теплоэнергетике является оптимизация работы системы и повышение энергоэффективности. В идеале, каждая система должна функционировать наиболее оптимально, чтобы использовать энергию максимально эффективно и минимизировать потери.

Для решения данной проблемы требуется сформировать алгоритм принятия управленческих решений, обеспечивающий поиск наиболее эффективных решений. При этом к самому алгоритму предъявляются определенные требования, обеспечивающие рост качества вырабатываемых решений. В рамках данной статьи сделан акцент на таком важном этапе принятия управленческих решений, как выработка альтернатив.

При выработке альтернатив требуется учесть широкий комплекс условий: широта набора альтернатив, постановка ограничений, количество экспертов, инновационность решений, стоимость альтернатив. [1,2] Данные условия содержат в себя ряд противоречий, которые осложняют выработку альтернатив. Рассмотрим данные противоречия.

Первое противоречие касается набора альтернатив.

1. Набор альтернатив должен быть максимально широк, чтобы комплексно исследовать проблему и получить многосторонний взгляд на проблему.

2. Одновременно набор альтернатив должен быть достаточно узким, чтобы сократить затраты времени на их генерацию и обработку.

То есть у нас возникает жесткое противоречие: набор альтернатив должен быть одновременно очень широким и очень узким. Для решения данного противоречия целесообразно применить инструментарий ТРИЗ, нацеленный именно на разрешений противоречий.

Следующим вторым противоречием является вопрос постановки ограничений при выработке альтернатив. [3,4] С одной стороны, практическая работа энергоснабжающих организаций всегда предполагает наличие широкого спектра ограничений, которые изначально блокируют множество альтернатив. С другой стороны, элиминирование ограничений позволяет выйти за рамки традиционных представлений о способах повышения эффективности использования энергии и за счет этого предложить по настоящему инновационные решения.

То есть противоречие можно сформулировать следующим образом:

Ограничения должны быть жесткими, так как это позволяет сразу учесть практические условия работы энергоснабжающих организаций.

Ограничения должны быть мягкими (в идеале отсутствовать), чтобы выработать инновационные решения с высокой эффективностью и выйти за рамки традиционных представлений.

В пределе противоречие можно сформулировать так: ограничения должны быть и не должны быть.

Третьим противоречием является необходимость привлечения широкого круга квалифицированных экспертов в условиях их недостатки. Здесь противоречие может быть сформулировано таким образом:

1. Экспертов должно быть много для роста качества и обоснованности вырабатываемых решений.

2. Экспертов должно быть немного, так как привлечение экспертов предполагает повышенные затраты времени на согласование их позиций между собой, а также повышенные затраты финансовых ресурсов на оплату их труда.

В пределе противоречие формулируется так: экспертов должно быть много и экспертов должно быть мало.

Четвертым противоречием является противоречие между хорошо зарекомендовавшими себя решениями, обладающие высокой доказанной эффективностью и решениями, имеющими экспериментальный характер и пока не доказавшими свой потенциал. Отказ от экспериментальных решений может повлечь за собой консервацию инновационной политики энергоснабжающих организаций и в дальнейшем застой в развитии. С другой стороны, авантюризм и слепое принятие решений только на базе того, что они являются принципиально новыми, также влечет за собой высокие риски, которые энергоснабжащие организации не могут себе позволить, учитывая их высокую социальную значимость.

Здесь противоречие выглядит следующим образом:

1. Предлагаемые альтернативные решения должны иметь высокую доказанную эффективность, чтобы гарантировать экономическую и целевую результативность.

2. Предлагаемые альтернативные решения должны базировать на новейших достижениях науки и техники, чтобы обеспечивать прорыв в развитии энергоснабжающих организаций.

В пределе противоречие формулируется так:

Альтернативы должны быть иметь традиционные форматы и одновременно экспериментальные форматы.

Пятое противоречие связано со стоимостью альтернатив.

1. Стоимость альтернатив должна быть высокой, т.к. может обеспечить высокий результат за счет внедрения дорогостоящих решений с высоким функционалом.

2. Стоимость альтернатив должна быть низкой, чтобы обеспечить высокую эффективность вложенного капитала.

Выявленные противоречия процесса выработки альтернатив в теплоэнергетике представлены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика противоречий выработки альтернатив в теплоэнергетике

№ п/п	Противоречие процесса выработки альтернатив в теплоэнергетике	Потенциальный результат разрешения противоречий	Применяемые методы разрешения противоречий
1	Набор альтернатив должен быть одновременно очень широким и очень узким	Набор альтернатив будет эффективен и удобен для обработки	Закон повышения эффективности использования энергии
2	Ограничения должны быть и не должны быть	Высокая гибкость в принятии решений	Искусственный интеллект, Гибридизация естественного и искусственного интеллектов, Разделение ограничений по этапам выработки альтернатив
3	Экспертов должно быть много и экспертов должно быть мало.	Сокращение затрат времени на поиск эффективных альтернатив	Принцип «Местное качество», Тестирование найденных альтернатив на реальность
4	Альтернативы должны быть иметь традиционные форматы и одновременно экспериментальные форматы.	Разработка инновационных решений без рисков	Метод функционально-ориентированного поиска Метод идеального конечного результата
5	Стоимость предлагаемых альтернатив должна быть высокой и низкой	Затраты на альтернативы сконцентрированы на приоритетных направлениях	Принцип «Местное качество» Метод идеального конечного результата

Источник: составлено автором

Для разрешения данных противоречий мы применили методический инструментарий ТРИЗ, а также гибридизацию естественного интеллекта (ЕИ) и искусственного интеллекта (ИИ). [5,6]

Необходимость применения гибридного подхода обусловлена резким увеличением объема знаний и информации, которую необходимо обработать при выработке альтернатив. Рост скорости обработки информации возможен за счет активного использования ресурсов ИИ. В то же время уровень развития ИИ в настоящее время не позволяет рассчитывать на его высокую достоверность, поэтому важно применять ИИ под жестким контролем ЕИ. Роль ЕИ заключается в постановке задач перед ИИ, определении ограничений и целей поиска. [7]

Для разрешения первого противоречия (набор альтернатив должен быть одновременно очень широким и очень узким) мы применили законы развития технических систем. Данные законы описывают траектории и направления, в которых происходит развитие различных систем. Это позволяет вести целенаправленный поиск перспективных решений и четко понимать, на каком этапе развития в настоящий момент времени находится та или иная система.

Одним из законов является закон повышения эффективности использования энергии (ЗПЭИЭ). В рамках данного закона уже сформированы шесть направлений, в рамках которых происходит развитие методов повышения эффективности использования энергии. В свою очередь, каждое из шести направлений включает в себя комплекс отдельных механизмов, реализующих то или иное направление.

Применение данного закона сразу создает для нас область допустимых и возможных альтернатив, обладающая достаточной широтой и одновременно удобное для конкретизации поиска.

Для разрешения второго противоречия (ограничения должны быть и не должны быть) мы применили классический способ разнести данные ограничения во времени при разработке альтернатив. То есть мы вправе принять решения, когда и какие поставить ограничения при выработке альтернатив.

Кроме того, мы предлагаем дополнить естественный интеллект разработчиков альтернатив искусственным интеллектом (ИИ). Быстродействие ИИ позволяет снять ограничения на время обработки информации и дать требуемый результат в очень короткие сроки.

С другой стороны, эксперты при постановке задач перед ИИ сразу могут ограничить зону его поиска конкретными механизмами на базе ЗПЭИЭ. Кроме того, эксперты могут протестировать, насколько тот иной механизм закона применим к деятельности энергоснабжающих организаций, учитывая их специфику.

Для разрешения третьего противоречия (экспертов должно быть много и экспертов должно быть мало) мы применили принцип местного качества из ТРИЗ.

То есть на начальной стадии выработки решений предполагается привлечение ограниченной группы высококвалифицированных экспертов, обладающих требуемыми компетенциями и опытом поиска решений на базе ТРИЗ в разных сферах. Это позволяет сразу отсечь малоперспективные направления поиска, чтобы исключить непродуктивные затраты времени, энергии и финансов.

Для поиска конкретных методов реализации отдельных механизмов ЗПЭИЭ предлагается использовать ИИ с одновременным тестированием его результатов практикующими специалистами энергоснабжающих организаций. Это позволяет одновременно сократить затраты времени на согласование мнений экспертов и одновременно учесть реальную специфику деятельности энергоснабжающих организаций и конкретные условия их работы.

Для разрешения четвертого противоречия (между традиционным и экспериментальным характером альтернатив) мы предлагаем изначально заложить инструмент функционально ориентированного поиска (ФОП), а также метод идеального конечного результата (ИКР).

ФОП позволяет рассматривать сразу функцию конкретной технической системы и искать наиболее эффективные способы ее выполнения, в том числе на базе новых физических принципах. Метод ИКР предполагает достижение требуемого результата с минимальными, в идеале нулевыми затратами.

Для разрешения пятого противоречия(между высокой и низкой стоимостью разрабатываемых альтернатив) мы предлагаем использовать прием ТРИЗ «Местное качество», в рамках которого затраты концентрируются на наиболее важных элементах альтернатив. [8,9,10,11]

На базе предложенных методов снятия противоречий нами был разработан многоэтапный алгоритм выработки альтернатив для формирования программы инновационного развития энергоснабжающих организаций, представленный на рисунке 1.

Рассмотрим подробнее содержание каждого из этапов.

1 этап нацелен на выбор конкретных технических систем энергоснабжающей организации, для которых будет проводиться разработка вариантов повышения эффективности использования энергии. Важность данного этапа обусловлена многообразием и большим количеством элементов, входящих в общую совокупность систем, образующих единую энергоснабжающую организацию. Реализация данного этапа позволяет локализовать зону поиска решений.

2 этап предполагает постановку ограничений на те возможности, которыми располгает энергоснабжающая организация. Разные виды деятельности - новое строительство, текущий ремонт, модернизация существующих систем – предполагает разную степень свободы при реализаци конкретных практических решений. Поэтому важно разу понимать, какие возможности доступны для специалистов при разработке альтернатив.

3 этап нацелен на поиск современных трактовок ЗПЭИЭ. За время своей эволюции данный закон прошел много этапов развития и включил в себя большое количество механизмов релизации. Поэтому важно иметь последние трактовки данного закона, чтобы иметь доступ к новейшим достижения в данной сфере.

4 этап предполагает критическое рассмотрение закона ЗПЭИЭ экспертами по ТРИЗ и определение тех положений, которые в наибольшей степени подходят под специфику работы энергоснабжающей организации.

Рис.1. Многоэтапный алгоритм выработки альтернатив на базе гибридного подхода (сдавлено автором)

5 этап нацелен на выбор принципа ЗПЭИЭ для сужения области поиска. В силу того, что данный закон включает значительное количество направлений реализации, требуется локализовать область поиска. В данном случае статье мы локализовали зону поиска таким принципом, как снижение проводимости вредных потоков энергии.

6 этап. Оценка возможности применения механизмов принципа снижения проводимости вредных потоков энергиив деятельности предприятий теплоэнергетики. Для оценки применимости был использован метод экспертных оценок. В рамках данного метода перед экспертами была поставлена задача определить, насколько тот или иной механизм реализации принципа может быть прямо использован для повышения эффективности использования тепловой энергии.

Мы полагаем крайне важным на данном этапе использовать экспертов для того, что сразу отсечь наиболее неподходящие направления поиска и за счет этого сократить время поиска новых решений. В противном случае поиск будет проходить сразу по всем направления механизмов реализации принципа и потребует огромных объемов работы.

Данная работа может быть реализована силами искусственного интеллекта достаточно быстро, однако здесь также возникает иллюзия всемогущества искусственного интеллекта и дальше будут возникать необходимость подключения все большего числа инструментов искусственного интеллекта для оптимизации поиска уже самим искусственным интеллектом. Это приведет к неоправданному усложнению поиска практических решений и противоречивым результатам, обусловленным именно избыточностью зон поиска. Именно поэтому мы предлагаем применять принцип воронки, когда на каждом этапе происходит постепенный отсев неэффективных решений. Результаты первичной оценки применимости ЗПЭИЭ представлены в таблице 2.

Таблица 2

Оценка возможности применения механизмов снижения проводимости вредных потоков

№ п/п	Снижение проводимости вредных потоков	Возможность применения с учетом физических ограничений
1	Предотвращение вредного потока	+
2	Поглощение вредного потока	+
3	Введение в тракт "бутылочных горлышек"	+
4	Введение в тракт "застойных зон"	+
5	Снижение проводимости отдельных звеньев потока	+
6	Ослабление вредного потока путем его сложения с самим собой.	-

Источник: составлено автором

Как видно из таблицы 2, к дальнейшему рассмотрению были допущены 5 механизмов, в то время как механизм «Ослабление вредного потока путем его сложения с самим собой» оказался отброшен в силу того, что конкретно в трубопроводе непонятно, как можно реализовать данный механизм. Следует также подчеркнуть, что 5 механизмов оказались доступными к применению с учетом определенных ограничений.

7 этап предполагает формулировка функций отдельных элементов технических систем в теплоэнергетике. Это необходимо для корректной постановки задачи ИИ. Данную деятельность осуществляет эксперт в области ФОП именно для того, чтобы грамотно управлять действиями ИИ. В противном случае ИИ будет вхолостую обрабатывать огромные объемы информации. Важно также создание базы ключевых слов в предметной области для повышения точности запросов в ИИ. Например, запрос «Методы снижения утечек тепла» и «Методы снижения теплопотерь» выдают разные результаты.

8 этап предполагает распределение зон поиска между различными группами специалистов. Это необходимо для того, чтобы запараллелить работу между различными направлениями поиска и значительно ускорить процесс генерации альтернатив.

9 этап. Поиск конкретных методов реализации механизмов принципа ЗПИЭ при помощи искусственного интеллекта

На данном этапе было проведено выявление конкретных методов реализации механизмов снижения проводимости вредных потоковэнергии.

Для повышения эффективности данного этапа были использованы интеллектуальные ресурсы членов поисковой группы, а также инструменты искусственного интеллекта для поддержки принятия решений. Применение искусственного интеллекта позволило значительно ускорить процесс генерации комплекса методов, а также определить некоторые перспективные методы реализации. [7]Следует также отметить важную роль членов поисковой группы в определении направлений поиска методов реализации механизмов, постановке задач искусственному интеллекту, а также отсечении методов, не имеющих прямое отношение к механизмам снижения проводимости вредных потоков энергии. Результаты поиска искусственным интеллектом по механизму «Предотвращение вредного потока» в теплопроводе представлены в таблице 3.

Таблица 3

Методы реализации механизма предотвращения вредного потока в теплопроводе

№ п/п	Метод реализации механизма	Практическое средство
1	Изоляция	Правильная теплоизоляция трубопроводов помогает снизить потери тепла и предотвратить перегрев окружающей среды. Изоляция может быть выполнена с использованием различных материалов, таких как минеральная вата, стекловолокно или пенополиуретан.
2	Регулярное обслуживание	Регулярная проверка и обслуживание теплопроводов помогает выявить и устранить возможные утечки или повреждения, которые могут привести к вредному потоку. Это может включать в себя проверку состояния изоляции, замену поврежденных участков или ремонт утечек.
3	Использование тепловых экранов	Тепловые экраны могут быть установлены вокруг теплопроводов для предотвращения перегрева окружающей среды. Экраны обычно изготавливаются из материалов с высокой теплоотражающей способностью, таких как алюминий или нержавеющая сталь.
4	Использование теплообменников	Теплообменники могут быть установлены на теплопроводах для эффективного отвода тепла. Теплообменники позволяют передавать тепло от горячего потока к холодному потоку, что помогает снизить температуру теплопровода и предотвратить его перегрев.
5	Контроль температуры	Установка системы контроля температуры может помочь предотвратить вредный поток, регулируя температуру внутри теплопровода. Это может включать использование термостатов, датчиков температуры и автоматических регуляторов.

Источник: составлено автором

Важно отметить, что выбор конкретных методов предотвращения вредного потока в теплопроводах зависит от конкретных условий и требований системы. Результаты поиска искусственным интеллектом по механизму «Поглощение вредного потока» в теплопроводе представлены в таблице 4.

Таблица 4

Методы реализации механизма поглощения вредного потока энергии в теплопроводе

№ п/п	Метод реализации механизма	Практическое средство
1	Уплотнения	Утечки тепловой энергии могут происходить через соединения или места, где теплопровод проходит через стены или перегородки. Установка уплотнений вокруг таких соединений и мест может помочь предотвратить утечки. Уплотнения могут быть выполнены из различных материалов, таких как резина или специальные герметики.
2	Теплообменники:	Установка теплообменников на теплопроводах позволяет использовать теплоту, которая теряется в окружающую среду, для нагрева других рабочих сред или процессов. Теплообменники могут быть использованы для нагрева воды, обогрева помещений или для процессов, требующих тепла.
3	Теплоаккумуляция	Теплоаккумуляция представляет собой процесс накопления и сохранения теплоты для последующего использования. Теплопроводы могут быть подключены к системе теплоаккумуляции, где теплота, которая теряется в окружающую среду, может быть сохранена в теплоносителе, таком как вода или теплоноситель на основе фазового перехода. Затем накопленная энергия может быть использована в более удобное время или для других процессов.
4	Тепловые насосы	Тепловые насосы могут быть использованы для извлечения теплоты из окружающей среды и ее передачи в теплопровод. Таким образом, теплопотери в теплопроводе могут быть компенсированы за счет использования окружающей теплоты.
5	Когенерация	Когенерация, или совместное производство тепла и электроэнергии, может быть использована для утилизации теплопотерь в теплопроводах. При этом тепловая энергия, которая теряется в окружающую среду, используется для привода турбин или двигателей, которые генерируют электроэнергию. Одновременно с этим происходит использование отходящего тепла для обогрева или горячего водоснабжения.
6	Рекуперация тепла:	Рекуперация тепла представляет собой процесс восстановления и использования теплоты, которая обычно теряется в окружающую среду. В случае теплопроводов, это может включать использование теплообменников для передачи теплоты от вытекающего теплоносителя к поступающему, что помогает снизить теплопотери.
7	Оптимизация системы:	Оптимизация системы теплопроводов может помочь снизить теплопотери. Это может включать в себя установку эффективных изоляционных материалов, устранение утечек, оптимизацию тепловых настроек и использование эффективных насосов и оборудования.

Источник: составлено автором

Аналогично были найдены методы реализации таких механизмов как: введение в тракт "бутылочных горлышек", введение в тракт "застойных зон", снижение проводимости отдельных звеньев потока. Разработанные альтернативы были обобщены и представлены в таблице 5.

Таблица 5

Количество методов реализации механизмов повышения использования энергии, сгенерированных при помощи искусственного интеллекта

№ п/п	Повышение эффективности использования полезных потоков	Количество найденных методов реализации механизмов
1	Предотвращение вредного потока	5
2	Поглощение вредного потока	7
3	Введение в тракт "бутылочных горлышек"	1
4	Введение в тракт "застойных зон"	9
5	Снижение проводимости отдельных звеньев потока	5
	Итого	27

Источник: составлено автором

Как видно из таблицы 5, применение искусственного интеллекта позволило резко увеличить количество найденных методов реализации механизмов повышения эффективности использования энергии. Общее число найденных методов составляет 27. Без привлечения искусственного интеллекта достичь данной величины было бы крайне сложно и потребовало бы подключения большого числа квалифицированных экспертов.

10 этап предполагает определение реальности предложенных ИИ альтернатив силами экспертов в области теплоэнергетики. Здесь происходит тестирование найденных решений на предмет их применимости к конкретным реальным условиям работы рассматриваемой энергоснабжающей организации.

Важность данного этапа обусловлена тем, что ИИ обращается к широкой базе данных, имеющей отношение к различным условиям работы большого числа энергоснабжающих организаций, поэтому важно отслеживать, насколько данные решения могут быть реализованы в конкретных условиях.

Наконец, 11 этап предполагает оформление разработанных ИИ альтернатив в виде конечного документа для дальнейшей проработки практическими специалистами энергоснабжающей организации.

На данном этапе выработанные альтернативы облекаются в форму, удобную для дальнейшей проработки специалистами теплоэнергетики для доведения выработанных решений до конкретных реальных устройств и механизмов.

Таким образом, можно отметить, что предложенный алгоритм выработки альтернатив обладает рядом преимуществ, значительно ускоряющих выработку альтернатив при формировании программы инновационного развития энергоснабжающих организаций.

Выводы по статье:

1. Обоснована целесообразность применения ЗПЭИЭ на базе экспертного мнения ТРИЗовцев для определения необходимого и достаточного набора альтернатив. Данный закон позволяет вести планомерную выработку альтернатив в шести областях поиска, в каждой из которых специалистами уже предложены хорошо зарекомендовавшие себя механизмы.

2.Предложен гибридный подход для усиления взаимодействия естественного и искусственного интеллектов, при этом естественный интеллект принимает на себя функции выбора методической базы разработки направлений поиска, определения генеральных направлений поиска, а также определения генеральных направлений поиска. Роль искусственного интеллекта заключается в проработке значительного объема информации, поиске конкретных методов реализации механизмов повышения эффективности использования энергии.

3. Сформулированы пять важных противоречий, с которыми приходится сталкиваться экспертам при выработке управленческих альтернатив, а также определены результаты их разрешения и методы снятия данных противоречий. Предложенные методы базируются на высокоэффективных инструментах ТРИЗ, ФОП, а также ЗПЭИЭ.

4. На базе сформированного алгоритма выработана группа методов реализации механизмов снижения проводимости вредных потоков энергии в теплопроводе. Данный методы выступают в качестве конкретных практических направлений повышения эффективности использования энергии.

5. Сформированы этапы и определена последовательность реализации многоэтапного гибридного алгоритма выработки альтернатив при разработке управленческих решений для повышения эффективности использования энергии энергоснабжающими организациями. Данная последовательность позволяет ускорить генерацию альтернатив и одновременно расширить зону поиска эффективных решений, в том числе за счет подключения ИИ.

6. Обоснована необходимость постоянного уточнения запросов в ИИ для повышения точности и конкретности ответов, а также независимая работа с ИИ разных экспертов для повышения надежности результатов.

7. Предложено в рамках работы алгоритма использовать различных нейросетей для подключения разных баз данных, что обеспечивает возможность повышения достоверности информации, а также снижения рисков попадания в ловушку алгоритмов поиска конкретной нейросети.