Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Одной из самых острых проблем мирового сообщества на протяжении последних двух десятилетий является вопрос устойчивого развития городов. Для российских городов характерны те же проблемы, что и для городов остального мира, связанные с высоким уровнем техногенной нагрузки на окружающую среду. Развитие городов, начиная с индустриальной революции, неразрывно связано с развитием энергетики. Вплоть до настоящего времени воздействие города на окружающую среду во многом определяется работой его системы энергоснабжения. Нелинейный характер взаимозависимостей между городской энергосистемой и социально-экономическими и природно-климатическими факторами, неопределенность характеристик этих связей и сложность формализации возникающих задач определяют актуальность разработки современных аналитических методов в этой области. В условиях неточности и неполноты исходных данных перспективным направлением является развитие методов нечеткого анализа и моделирования сложных систем и процессов, а именно методов нечеткого когнитивного моделирования и нечеткого логического вывода. В ходе выполнения первого этапа проекта разработаны подходы к созданию нечеткой когнитивной модели, являющейся основой для углубленного анализа проблемы устойчивого развития городских энергосистем с учетом последующей детализации системных факторов и их взаимовлияния. Целью построения нечеткой когнитивной модели является оценка устойчивого развития энергосистем городов и городских поселений, на основе которой можно оценить степень влияния отдельных групп факторов на обеспечение общей устойчивости энергосистемы, воздействие системы на отдельные характеристики (концепты) построенной модели. Разрабатываемая модель предназначена для обобщенного исследования проблемы устойчивого развития различных энергосистем и является основой для последующего углубленного анализа с учетом детализации системных факторов на более низком уровне иерархии этой модели. Нечеткие когнитивные модели для исследования устойчивого развития энергосистем городов и городских поселений должны обеспечивать: • формализованное задание системных факторов энергосистемы, а также непосредственного, опосредованного и агрегированного влияния этих факторов друг на друга; • реализацию гибкого механизма учета общих характеристик энергопотребления для различных типов городов и городских поселений при неизменной структуре (совокупности системных факторов и взаимосвязей между ними) модели; • моделирование различных ситуаций для оценки и выявления различных факторов и отношений взаимовлияния и согласованности, провоцирующих неустойчивость энергосистемы • характера и степени непосредственного и опосредованного влияния различных факторов модели друг на друга; • согласованности факторов при их влиянии друг на друга и на модель в целом; • моделирование динамики изменения устойчивости энергосистемы с оценкой воздействия других системных факторов, характеристик энергопотребления, а также различных мероприятий на эти изменения. В ходе проведения предварительного исследования выполнен анализ показателей и критериев, характеризующих основные параметры тепло- и электроснабжения городских поселений, городов и мегаполисов. На основании результатов этих исследований, а также с учетом известных моделей оценки показателей устойчивого развития, используемых при построении рейтингов городов, выделены следующие укрупненные группы системных факторов, соответствующие обобщенным концептам разрабатываемой нечеткой когнитивной модели: K1 – устойчивость городской энергосистемы (целевой системный фактор); K2 – объем инфраструктуры городской энергосистемы (суммарная тепловая мощность, суммарная электрическая мощность, длины сетей); K3 – качество жизни населения (обеспеченность горячей водой и теплом, доходы населения, тарифы на энергоресурсы, потребление энергии домашними хозяйствами); K4 – промышленное потребление топливноэнергетических ресурсов (ТЭР) (общее тепло- и электропотребление, потребление топлива); K5 – удельное потребление ТЭР домохозяйствами; K6 – качество экосистемы города (площадь лесов и водоемов, выбросы и стоки, твердые бытовые отходы); K7 – темпы развития города (прирост населения, валовый региональный продукт, ввод жилья); K8 – мероприятия по повышению устойчивости городской энергосистемы (внедрение энергосберегающих технологий, возобновляемых источников энергии); K9 – состояние инфраструктуры городской энергосистемы (состояние тепловых и электрических сетей). Группа системных факторов, описывающая общие характеристики города (климатическую зону, численность населения, площадь города, плотность населения, рельеф, площадь отапливаемых зданий), вынесена за рамки данной модели, что позволяет использовать ее для исследования проблем устойчивого развития энергосистем различных типов городов и городских поселений. Значительный интерес для исследования устойчивого развития городских энергосистем представляет решение следующих задач анализа на основе рассмотренных системных показателей модели: анализ проблемы устойчивого развития городской энергосистемы и выявление концептов модели в наибольшей степени непосредственно или опосредованно влияющих на нее; оценка непосредственного и опосредованного влияния различных концептов друг на друга, и насколько положительным или отрицательным является это влияние оценка степени согласованности различных концептов между собой с определением классов согласованности оценка того, каким образом отдельные концепты влияют на устойчивость энергосистемы города в целом, и насколько согласованным или несогласованным является это влияние; оценка влияния устойчивости энергосистемы города на отдельные концепты, и насколько согласованным или несогласованным является это влияние. Моделирование изменения значений концептов в динамике может осуществляться как в условиях саморазвития ситуации (без внешнего воздействия на значения концептов), так и при внешнем воздействии на значения концептов в различные моменты модельного времени. Выполнение прямой задачи моделирования системной динамики сводится к последовательности следующих действий: во-первых, задание начальных значений концептов нечеткой когнитивной модели; во-вторых, запуск процесса моделирования в соответствии с выбранным выражением для изменения значений концептов; в-третьих, задание в определенные моменты модельного времени воздействий на концепты (изменение их значений) модели; в-четвертых, завершение моделирования при выполнении выбранного критерия. По результатам моделирования можно определить: факты превышения критериальных значений концептов к определенному моменту модельного времена времени; прогнозные значения и тенденции изменения значений различных концептов; оценку последствий непосредственных и опосредованных внешних воздействий на концепты. Разработаны подходы к разработке нечеткой когнитивной модели, предназначенной для обобщенного исследования проблемы устойчивого развития городских энергосистем различного типа и являющаяся основой для углубленного анализа этой проблемы с учетом детализации системных факторов и отношений влияния между ними на более низких уровнях иерархии этой модели. Эти подходы обеспечивают формализованное представление и учет общих характеристик энергопотребления для различных типов городов и городских поселений при неизменной структуре этой модели. На основе предложенной концепции нечеткой когнитивной модели показано решение различных задач исследования устойчивого развития различных городских энергосистем, включая задачу динамического моделирования как в условиях саморазвития ситуации и при внешнем воздействии на значения концептов в различные моменты модельного времени.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Этап 2017 г. был посвящен исследованию взаимодействий между энергетической системой города и окружающей средой в различных социально-экономических и природно-климатических условиях и включал выполнение следующих работ: 1 На основе сочетания историко-экстраполяционного подхода с аппаратом нечеткого анализа и моделирования впервые проведено исследование основных типов развития городской энергосистемы и разработаны методы формирования релевантного набора основных энергетических характеристик городских поселений в зависимости от доступности и качества исходных данных, оказывающих наиболее существенное влияние на энергосистему. Исследованы основные закономерности эволюция энергосистемы города в комплексе с другими городскими системами с целью удовлетворения потребностей нынешних и последующих поколений жителей с учетом способности экосистемы справляться с последствиями человеческой деятельности. Выделены основные группы факторов устойчивого развития городской энергосистемы (экологические, социально-экономические, культурные, градостроительные, инфраструктурные). Выполнена кластеризация городских поселений России по демографическим, энергетическим, климатическим и экономическим параметрам. Сформирован набор характеристик, определяющих устойчивость и эффективность систем энергоснабжения: удельный расход тепловой, электрической и первичной энергии на душу городского населения, удельная энергоемкость ВРП, комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) городов, показатель аварийности энергетических объектов. 2 На основе историко-экстраполяционного структурного анализа городской системы энергоснабжения проведен анализ потребностей в тепловой и электрической энергии городских поселений в зависимости от комплекса факторов (температура окружающего воздуха, размер города, централизация расселения и др. Выполнен анализ факторов, определяющих развитие электрических сетей мегаполисов, на основе схем и программ перспективного развития электроэнергетики, который выявил зависимости, позволяющие развить методологию формирования проблемно-ориентированных аналитических ресурсов для эффективного моделирования и прогнозирования электропотребления мегаполисов России. Предложена модель городской энергосистемы, рассчитанная на работу в условиях неопределенности входных параметров и пригодная для анализа функционирования систем теплоснабжения, находящихся в различных природно-географических условиях. Для решения отдельных задач прогнозирования электрических нагрузок в зависимости от климатических факторов разработаны и апробированы на примере энергосистемы города Смоленска способ анализа и модель прогнозирования электрической нагрузки с учетом климатических факторов на основе нечетких временных рядов. 3 На основе статистического и динамического подходов к моделированию региональных климатических изменений, с использованием эффективных статистических методов (сингулярный и вейвлет-анализ, множественный регрессионный анализ и др.) разработан комплекс моделей, позволяющих получать прогнозные оценки прикладных климатических характеристик, используемых в городской энергетике В качестве первого методического подхода к прогнозированию глобальных климатических изменений и их проявлений на региональном и локальном уровнях использован развиваемый в НИУ «МЭИ» метод комбинированного использования статистического и динамического моделирования глобальных и региональных климатических процессов. Особенностью разработанного комплекса моделей является реализация полного цикла исследования изменений климата под влиянием антропогенных и естественных факторов, начиная от разработки сценариев воздействия хозяйственной деятельности человека на химический и термический баланс атмосферы, моделирования глобального углеродного баланса, оценки тепловых радиационных эффектов в атмосфере, физического моделирования в системе океан-атмосфера и статистических методов оценки региональных и локальных проявлений глобальных климатических возмущений. В качестве альтернативного метода получения прогнозных оценок для климатических параметров применен ансамблевый подход, использующий результаты глобальных климатических моделей. Для его реализации был разработан программный комплекс на языке статистического программирования R, позволяющий автоматизировать обработку результатов наиболее современных климатических моделей, принятых к участию в международном проекте сравнения объединенных моделей CMIP5. Формирование ансамбля моделей позволяет значительно снизить ошибку как непосредственно за счет осреднения, так и благодаря возможности ранжировать результаты отдельных моделей по качеству воспроизведения ими целевого параметра. Преимущество ансамблевого подхода по сравнению со статистической региональной климатической моделью МЭИ заключается в существенном расширении круга рассматриваемых климатических параметров. 4 На базе полученных в 2016 г. результатов и авторской методологии формирования и использования проблемно-ориентированных информационно-аналитических ресурсов для эффективного управления отраслевым энергопотреблением и энергосбережением, базирующихся на математическом аппарате нечеткой логики и экспертной обработки информации, разработан метод нечеткого многокритериального оценивания влияния широкого спектра разнородных факторов на характеристики систем энергоснабжения городов на основе нечетких когнитивных карт и моделей нечеткого продукционного вывода. Разработаны модель и алгоритм оценки влияния внешних факторов на функционирование и развитие систем энергоснабжения городов и городских поселений, позволяющие, на основе опроса и обработки мнений широкого круга экспертов, определить основные факторы, оказывающие наиболее существенное воздействие на городскую инфраструктуру и степень их воздействия. В развитие предложенной модели разработан метод нечеткого многокритериального оценивания влияния широкого спектра разнородных факторов на характеристики систем энергоснабжения городов на основе нечетких когнитивных карт и моделей нечеткого продукционного вывод, позволяющий детализировать влияние наиболее существенных факторов на отдельные объекты городского хозяйства. В рамках созданного метода нечеткого многокритериального оценивания выполнена постановка задачи оценки эффективности и повышения ресурсосбережения городов и городских поселений, учитывающего совокупность ресурсоемких подсистем электро-, тепло- и водоснабжения. Разработана композиционная модель оценки эффективности ресурсосбережения городов и городских поселений, включающая в себя: модель обобщенной оценки эффективности ресурсосбережения; модели оценки ресурсоэффективности подсистем электро-, тепло- и водоснабжения; модели оценки влияния мероприятий на показатели подсистем электро-, тепло- и водоснабжения. Описана обобщенная процедура предложенного метода многокритериального оценивания для формирования комплекса мероприятий по повышению эффективности ресурсосбережения городов и городских поселений. 5 На основе сравнительного анализа динамики показателей городских энергосистем и различных внешних параметров разработаны методы оценки влияния природно-климатических и социально-экономических факторов на функционирование и развитие систем городских систем энергоснабжения. Разработаны методы количественной оценки обратных связей в системе «энергетика – климат», в том числе упрощенные модели тепловых схем основных типов энергетического оборудования, используемого в городских энергосистемах, позволяющих параметризовать зависимость их эффективности от температурных показателей окружающей среды С использованием массива данных по суточным температурам воздуха выполнены расчеты показателей градус-суток теплого (CDD) и холодного (HDD) периодов для различных регионов России. По соотношению этих показателей сделана оценка относительной потребности в энергии на отопление и кондиционирование помещений в крупнейших мегаполисах России. Определен общий подход к исследованию взаимодействий между инфраструктурой города и окружающей средой через исследование ущербов и выгод от воздействия факторов окружающей среды. Разработана обобщенная модель оценки уязвимости объектов городской инфраструктуры к воздействию климатических факторов. Кроме того в рамках проекта разработаны и применялись алгоритмы и прототип программных средств построения и анализа когнитивных моделей. Прототип разработан с использованием web-технологий и размещен в сети интернет по адресу http://lab.sbmpei.ru Полученные на отчетном этапе результаты будут использованы на заключительном этапе проекта для формирования интегральной модели городской энергосистемы с учетом обратных связей «энергетика-окружающая среда» и «энергетика-климат». Разработанные методы и модельные блоки предназначены для исследования и прогнозирования развития городских энергосистем в условиях изменений внешних условий.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработана модель городской энергосистемы на базе нечеткой когнитивной карты, учитывающая действие обратных связей «энергетика-окружающая среда» и «энергетика-климат». Модель реализована в виде комплекса программных средств, баз данных и информационной технологии их применения. Реализованы функции моделирования системной динамики энергосистемы на базе нечеткой когнитивной карты. Результаты моделирования позволяют выявить механизмы прямых и обратных связей между энергопотреблением, состоянием окружающей среды и климатическими параметрами, а также установить основные закономерности развития городских энергосистем и перейти к выбору первоочередных объектов для перехода на интегрированные схемы и/или внедрение энергосберегающих мероприятий. Предложен общий подход и основы гибридной модели анализа топологии энергосетей на основе модели построения геометрического графа и модели случайного роста сети на основе подхода двухфазного построения сети, позволяющие определить специфику развития городских энергетических систем на основании групп факторов пространственного распределения энергетических мощностей, пространственного расположения распределительных теплосетей и пространственного распределения спроса (Гашо и др., 2018). На основании разработанных на предыдущих этапах подходов к прогнозированию прикладных климатических характеристик разработаны фоновые прогнозы изменения климата в регионах расположения крупнейших городов России на период до 2050 г. по сценариям антропогенного воздействия RCP и МЭИ (Клименко и др., 2018; Клименко и др., 2019). С учетом локальных эффектов («городского острова тепла») для крупнейших городов России рассчитаны прикладные климатические характеристики, используемые для прогнозирования развития городских энергосистем (Klimenko, Tereshin, 2018). С помощью разработанной интегральной модели городской энергосистемы рассчитаны показатели функционирования систем энергоснабжения крупнейших городов России на период до 2050 г. в новых сценарных климатических условиях. С применением разработанных модели и алгоритма оценки системной эффективности энергоснабжения городов определены резервы повышения энергоэффективности городского хозяйства крупнейших мегаполисов России (Гашо и др., 2018). Полученные модели городских энергосистем могут стать эффективным инструментом при разработке долгосрочных программ развития городов России, обеспечивая повышение эффективности систем энергоснабжения городов, сокращение потребления топлива и снижение негативного влияния на окружающую среду.