«Север для России и ученых является почти идеальным объектом — настолько здесь сконцентрированы проблемы»

12:36, 3 июня 2021

Профессор ИнЭУ УрФУ дал интервью изданию InScience.News

Города даже в привычном смысле — очень сложная для управления система. В Арктике ситуация усугубляется жесткими условиями, особенно на фоне изменения климата, приводящего к катастрофам. Уральские ученые предложили проект «умного северного города», который позволит обеспечить жителей необходимой для достойной и безопасной жизни инфраструктурой. Один из авторов работы, заведующий лабораторией прикладных системных исследований ИнЭУ УрФУ Сергей Кругликов рассказал InScience.News о том, как нужно принимать решения в условиях Полярного круга, чему можно поучиться у северных оленей и что общего между Таймыром и Марсом.

— Расскажите, пожалуйста, почему именно Салехард и почему именно энергетика?

— Салехард — северный город, ведущий свою историю с XVI века и расположенный в Тюменской области. Также он центр субъекта-донора федерального бюджета — ЯНАО. В распоряжении администрации есть существенные финансовые средства для опережающего развития ЖКХ города с населением 50 тысяч человек. Если говорить о Салехарде и ЯНАО в целом — это один из немногих субъектов, где региональные власти целенаправленно субсидируют расходы коммунальных и городских муниципальных бюджетов на инвестиционные программы и поддержание тарифов для населения.

В отличие от многих других столичных городов, в Салехарде технологическое хозяйство по большей части сконцентрировано в одних руках — АО «Салехардэнерго». Снижение конфликта интересов может ускорить поиск и реализацию прогрессивных решений. Последовательное развитие технологических компаний, подготовленные профессиональные кадры позволяют ставить вопрос о переходе на совершенно новый уровень. Существующая база допускает централизованно управляемую муниципалитетом реализацию проекта «умного города», что до сих пор в России еще нигде не сделано. Достаточная близость по подчинению ЯНАО, Тюменской и Свердловской областей, относящихся к одному Уральскому федеральному округу, позволяет рассчитывать на административную поддержку.

С другой стороны, по определению объект исследования должен вызывать любопытство. Салехард возник как острог Обдорск, за пять лет до «златокипящей» Мангазеи (первый русский заполярный город, славившийся своим богатством благодаря активной торговле, сейчас не существует — InScience.News). В наши дни город — тыловая и административная база освоения газоносных провинций Обской губы и газосжижающей Сабетты. Салехард ожидает окончания строительства железнодорожной магистрали, называемой Северным широтным ходом, и теперь пора сосредоточиться на решении проблем города по-умному. Это касается и энергообеспечения.

— Каких технологий не хватает «умному городу»?

— Давайте попробуем ответить сложно. Предположим, что, говоря об «умном городе», вы имеете в виду проблемы комплексной управляемой модернизации городского поселения с учетом того, что формируется новый технологический уклад и ускоряются климатические изменения. Тогда ответ безусловно требует согласованного обсуждения двух аспектов: технологического и организационного.

Вопросы муниципального управления, энергетики, освещения, транспорта, образования, медицины и прочего, возникающие в проектах «умный город», в базе своей обеспечены достаточно отработанными технологиями. Есть значимые моменты, требующие целенаправленного развития и отбора решений, но нельзя назвать технологии «умного города» изощренной загадкой. Существуют аналоги, прецеденты и опыт, на который можно опереться. Так, в Екатеринбурге десять лет назад построен микрорайон «Академический», рассчитанный на 300 тысяч жителей, лучший «умный микрорайон» России. Разработанная и реализованная технологическая система обеспечивает уровень затрат энергоснабжающей компании на 30% меньший по сравнению с затратами той же компании в других районах города. Соответственно, платежи населения также на четверть меньше. Экспертная оценка специалистов нашей лаборатории показывает, что в Салехарде, расположенном на Полярном круге, производится и потребляется тепловой энергии практически на треть больше необходимого. Следовательно, возможные аналоги энергетических решений актуальны и для Салехарда, где бизнес и население за свои деньги разогревают вечную мерзлоту, не прощающую неуважения.

В городе ежегодно один-два многоквартирных дома разбираются, а частично разрушившийся детский сад «Мамонтенок» — пример проблем с новым строительством. Интересно, что в Якутии «вечная мерзлота» — смыслообразующее понятие общественного сознания. В других северных районах это не так, к сожалению. Поскольку зона вечной мерзлоты охватывает 60–65% территории РФ, аварии, связанные с ней, — относительно слабый сигнал нарастающих климатических угроз и проблем устойчивости инженерной инфраструктуры. Некоторые из событий прошлого года связаны не просто с ростом аварийности, но с нарастанием катастрофических рисков. Это, например, обрушение железнодорожного моста, связывающего Мурманск с остальной сетью РЖД. Реализация «умного города» в Арктике неизбежно требует доработок, в частности BIM — технологий информационного моделирования — для сопровождения не только строительства, но и эксплуатации в течении всего жизненного цикла зданий и сооружений.

Помимо вопросов энергетики, одно из важных направлений деятельности нашей лаборатории составляют тепловые расчеты, связанные с долгосрочным прогнозированием динамики инженерных сооружений, расположенных на многолетних мерзлых грунтах. Поэтому, когда мы предложили в Салехарде проект, поддержанный грантом Российского фонда фундаментальных исследований и администрации ЯНАО № 19-48-890001, идея состояла в адаптации технологий, оправдавших себя ранее на масштабных объектах. Работа показала, что реализовать технологически оптимальные варианты возможно только при организации системы, отвечающей интересам многих участников. Перспективное сокращение затрат для населения не сработает, поскольку ведет к сокращению объемов производимой тепловой энергии, снижению объемов производства «Салехардэнерго» и уменьшению отчислений в городские фонды.

«Умному городу» в российских экономических реалиях не хватает организационных технологий стратегической оптимизации развития. Альтернативные базовые сценарии — инерционный, технологичный и инновационной — различаются по смыслу критериев выбора наилучшего результата, каждый из них может быть оптимален в соответствующей проблемной ситуации. Нужна технология иерархического согласования стратегий по уровням управления, что требует сотрудничества экономистов, технологов, энергетиков, математиков, программистов, усилия которых смогут сделать «умным» решение проблем города.

Инерционный сценарий ориентирован на сохранение ситуации «как есть», он предполагает оптимизацию по критерию устойчивости текущего состояния или процесса функционирования. Именно так описывает происходящее Стратегия социально-экономического развития муниципального образования город Салехард до 2030 года. Однако климат меняется, и привычные подходы больше не срабатывают. Технологичный сценарий направлен на достижение состояния «как должно быть». Критерий оптимальности — максимум целевого результата. Такой посыл для энергетики Салехарда предполагался при формировании нашей заявки на грант, но он тоже не работает. В конечном счете мы приходим к тому, что реализовать можно и нужно прежде всего инновационный сценарий, состав которого отвечает максимальной эффективности, в том числе и экономической, перехода из текущего состояния в целевое. Для Салехарда это означает взаимное усиление всех доступных возможностей «умного города» для учета и существующих, и перспективных ограничений. Для этого нужна целостная информационная модель, цифровой двойник, своеобразный мозг «умного города», позволяющий согласовывать противоречивые интересы участников — муниципалитета, компаний, ученых, простых граждан.

— А что увидят обычные люди в «умном городе» кроме того, что здания будут реже разрушаться? Подорожает коммуналка, будут изменения на улице, появятся какие-то умные приборы или роботы?

— В 2015 году на Генеральной ассамблее ООН были сформулированы 17 целей устойчивого развития, задающие современные стандарты качества жизни, не всем доступные здесь и сейчас. Требования к городам и населенным пунктам включают способность технологически обеспечить устойчивость комфортной, достойной жизни, а не обитания.

«Умный город» — это не о волшебной палочке и не о фантазийных состояниях, а о последовательном, технологически, социально и экономически эффективном процессе совершенствования в сторону тех самых целей. Если городу нужно, то здания будут чаще разрушаться, не могут люди достойно жить в так называемом «ветхом и аварийном жилом фонде». Если городу нужно, то коммуналка сегодня может подорожать, чтобы не пришлось десятилетиями расплачиваться за потери тепла через дырявые стены. Если городу нужно, то умные приборы будут контролировать уличное освещение либо круглосуточную работу роботизированного городского транспорта. Однако самое главное то, что современные технологии «умного города» способны за счет открытости и доступности информации обеспечить доверие между участниками решения вопроса «А что городу нужно?». Техническую возможность дает быстрая генерация вариантов на цифровом двойнике, их прототипирование, апробирование и быстрая обратная связь.

Умный город требует умных горожан и власть, умеющую, организуя игру под названием «Бизнес», слышать и уважать глас народа. Конечно, это сильно зависит от того, что нужно нам и нашей стране.

— Это очень сложная система со множеством участников, и, кажется, вечно будет перетягивание одеяла на себя. Я, честно говоря, не очень понимаю, как это все по-умному организовать.

— Очень хороший термин «сложная система», то есть не полностью понятная. Действительно, город относится к сложным, нелинейным системам, исследования которых в России и в мире ведутся достаточно широким фронтом. Определение адекватных моделей, управленческого инструментария ищется на основе мультиагентных систем, смежной идеологии киберфизических систем, современных технологий, включаемых в понятия машинного обучения и искусственного интеллекта.

Я представитель уральской школы прикладной математики. Основной круг моих интересов связан с поиском адекватных моделей для процесса принятия решений. Мои учителя, академики Красовский, Куржанский и Осипов, смогли передать ученикам восхищение тем, как красота и изящество простых математических идей изощренно проявляются в сложных нелинейных взаимодействиях автономных систем. Возможно, именно в построении математически строгого описания принятия решений кроется ключевой вопрос организации по-умному безлюдных технологий и роботизации освоения Арктики.

Особенно это актуально для рекреационных зон Севера — районов, где не начато хозяйственное освоение и практически отсутствует население, однако необходимо решать задачи мониторинга, наблюдения, транспорта, а возможно — поиска и спасения. Здесь необходимо развивать и реализовывать безлюдные технологии, использовать автономно действующие системы и устройства. Территории огромные, условия сложные, множественные препятствия. В случае неисправностей нельзя достаточно быстро прийти к объекту для обслуживания. Интересно, что можно посмотреть природные аналоги подобных процессов. Один из сотрудников нашей лаборатории занимается моделированием миграционных процессов диких оленей на Ямало-Таймырской трансекте (узкая прямоугольная площадка на территории экосистемы — InScience.News). Дикие олени тысячелетия ведут автономный образ жизни в критических условиях. Эти не очень умные создания за счет рационального коллективного поведения выстроили устойчивую систему и живут по-своему насыщенной жизнью при всех изменениях климата.

— Я правильно понимаю, что Вы хотите перенести на роботизированные системы принципы миграции оленей?

— Мы хотим проверить, насколько принципы и алгоритмы, реализуемые в живой природе, применимы для организации движения цепочки автоматизированных объектов. Если вы посмотрите любую телевизионную передачу про то, как обеспечивают доставку грузов в трудных ситуациях, то увидите колонну: автомобили, двигающиеся один за другим. Роботизированный автомобиль решает ту же самую задачу: из точки А, по возможности без потерь, добраться в точку Б. Дикие олени тысячелетиями бредут по относительно предсказуемым маршрутам, изменяющимся в зависимости от природных условий без участия человека.

— Обычно, когда говорят о каких-то проектах и моделях северных городов, очень часто переключаются на освоение других планет — условия в чем-то схожи, технологические подходы тоже. Можно ли расширить ваши модели на, скажем, Марс?

— Конечно, есть принципиальные различия, есть и сходство. Различие составляет смысл решаемых задач и, следовательно, применяемые критерии качества. Проекты и модели северных городов решают задачу эффективной адаптационной модернизации. Здесь технологические вопросы должны быть вторичны по отношению к социально-экономическим. Надо обеспечить условия достойной жизни и вахтовикам, которых закинули самолетом и через месяц выдернут, и постоянному населению, которое живет и готово продолжать жить в условиях Севера. Нельзя допустить, чтобы интересы этих людей были принесены в жертву либо технологическим изыскам, либо необходимости финансовых сокращений. Марс же сегодня стал зоной постановки амбициозных целей и работы на оптимальное достижение требуемого результата. Упомянутые просторы Таймыра требуют сохранения среды обитания и по возможности минимального нарушения устоявшихся процессов. При этом здесь тоже может быть свой передний край освоения непокоренной природы.

Сходство составляет достигнутый уровень технологического развития и, конечно, понимания процесса принятия инновационных решений. Формируемый сегодня новый технологический уклад позволяет ориентироваться на безлюдные технологии. Давайте так: вы можете взять любой текст, который посвящен Таймыру, и заменить в нем на автомате слово Таймыр на Марс. Это гигантский полуостров, на котором что-то происходит: текут реки, растут деревья, ходят олени, но людей там нет. И если мы хотим что-то реализовать, допустим поставить метеостанцию, это значит, что метеостанцию забросят, а потом минимум год до нее добираться никто не будет. Разницы никакой. Должна быть автономно работающая установка, которая адекватно выполняет свои функции, а в случае непредвиденных ситуаций срабатывают технологии принятия решений. Они везде вокруг нас, и, может быть, мы не осознаем, но для жизни в большом городе отличие состоит только в том, что при наличии множества людей можно быстро решить проблему сервисного обслуживания и доставки профессионала в случае затруднений.

— Если бы были средства и все технологическое обеспечение, сколько времени потребовалось бы для распространения и организации северных «умных городов»?

— Как мне представляется, ответ на этот вопрос зависит не столько от выделения средств, сколько от уровня понимания соотношения интересов государства и перспектив существования людей на Севере. Целеполагание определяет процессы управления модернизацией системы городов российской Арктики. Что такое Арктика для россиян — место добычи полезных ископаемых или дом?

Первому случаю отвечает представление, что жить там нельзя: высокая радиация, критические условия, полярная ночь, запредельные нагрузки на организм. Люди из более благоприятных регионов, попадая в Арктику, остро чувствуют желание оттуда исчезнуть, причем не прибирая за собой. Тогда есть дорогое, но простое решение — вывезти всех и успокоиться. Радикально и просто решить масштабную нелинейную задачу. Известны прецеденты: целина, волжские гидростанции, неперспективные деревни, «эффективная» реорганизация лесного хозяйства.

Во втором случае постоянное население полярных районов составляет золотой человеческий капитал России, так как они смогли адаптироваться. Для них северные города стали родными, а условия привычными и приемлемыми. Понимая государственную необходимость в развитии по-умному северных городов, технологические вопросы решить можно достаточно быстро. В течение десятилетия большинство из них возможно перевести в режим эффективной эксплуатации. Это компактные поселения, допускающие централизованное решение градостроительных задач. Нужны несколько пилотных проектов, чтобы примерно за пять лет обкатать логику, а затем еще пять лет на тиражирование. При этом понятно, что условия в той же Воркуте, Норильске, Мурманске и Салехарде различаются. Поэтому задача общая, а решение индивидуальное.

Вообще, проблема реализации инновационного сценария развития для городов и муниципальных образований российского севера — то, что сейчас приобрело чрезвычайную важность. Об этом говорил и президент, когда формулировал стратегии развития. Я считаю, что Север для России и ученых, занимающихся проблемами развития инженерных систем, является почти идеальным объектом. Здесь настолько сконцентрированы проблемы, что требуются очень четкие, взвешенные и обоснованные интеллектуально емкие решения. Полагаю, что сегодня может быть тот самый момент для формирования инновационного проекта, применимого для многих северных городов, в частности для Салехарда.