Беседа 4. Что такое оптимальное управление? [1991 Зотов Б.И.

- Сегодня в школе Никита Пухов доказывал, что из нашего района в Подольск надо ехать по кольцевой автодороге. Это, говорит, самый оптимальный маршрут. А я считаю, что наиболее оптимальный маршрут - через центр. Кто из нас прав? Рассуди нас, пожалуйста. - - Во-первых, не нужно говорить "самый оптимальный", "наиболее оптимальный". Латинское слово "оптимус" означает "наилучший". Оптимальный - это уже и "самый-самый" и "наиболее". Поэтому говори просто: "оптимальный маршрут", "оптимальный вариант", "оптимальное управление", иначе будет как масло масляное. Что же касается вашего спора, то не так просто его разрешить. Нужно сперва более подробно поговорить о том, что такое оптимальное управление. Я собираюсь по делу за город. Поедем-ка вместе. По дороге потолкуем, а там, на месте, кое-что покажу интересное. Только приведи себя в порядок: пуговицы еле-еле держатся, а здесь только нитки торчат, пуговицы нет.

Там, где много светофоров, много остановок и даже транспортных 'пробок'. Известная поговорка 'тише едешь - дальше будешь' имеет смысл, но подтверждается не всегда

Никогда не надо говорить 'наиболее оптимальный' или 'самый оптимальный'. Оптимальный и значит 'наиболее', 'самый'. Оптимальный маршрут не всегда самый короткий. Все зависит от выбранного критерия, от цели. Если требуется добраться до места с минимальным расходом горючего, то маршрут может быть одним, а если ставится задача сократить до минимума время, то другим. Если хочется спокойной и безопасной езды — третьим.

Выбрать оптимальный маршрут не так просто. Эта задача сейчас решается с помощью бортового автомобильного компьютера, связанного радиоканалом с центральной станцией. Станция, в свою очередь, получает информацию о загруженности и состоянии дорог и улиц со спутников.

На дисплее бортового компьютера высвечивается карта с оптимальным по выбранному критерию маршрутом движения. Опытный образец системы подобного типа демонстрировался на выставке-автосалоне в Нью-Йорке в 1989 году

Московский центр связи службы '03' имеет радиотелефонную связь со всеми подстанциями. Но работает пока без компьютера: маршрут водители выбирают сами

- Я сейчас, я мигом,- засуетился Саша, доставая иголку и нитки.

Наблюдая за ним, Николай Николаевич заметил:

- Ты выбрал не оптимальный способ действия. Ты хочешь побыстрее пришить пуговицы и для этого взял очень длинную нитку.

- Чтобы сразу на все пуговицы хватило. А если брать короткую нить, то сколько раз придется ее в ушко протаскивать. Время потеряешь.

- А длинная нитка путается,- возразил отец.- Чтобы ее расправить, требуется времени больше, чем на вдевание нитки в иголку. Стало быть, ты еще не научился пришивать пуговицы оптимально. Ну, ничего, беды в этом большой нет, серьезный разговор об оптимальном управлении у нас впереди. Ты готов? Пойдем.

Запирая дверь квартиры, Николай Николаевич неожиданно задал вопрос:

- Вот если бы я очень спешил, что сделал бы сейчас?

- Возможно. Но есть еще и такой прием: сначала пойти к лифту и нажать кнопку. Пока лифт идет, вернуться к двери и запереть ее. При прочих равных условиях время будет выиграно. Ты запираешь, а лифт идет. Запер - лифт прибыл, его не нужно ждать.

- Да ведь придется три раза туда-сюда ходить! - воскликнул Саша.- Разве это оптимальный вариант? Опять ты шутишь, папа.

- Нет, не шучу. Мы подошли к важному вопросу. Дело в том, что оптимального управления без определенной цели не бывает, не может быть. Все зависит от цели, которая ставится, от смысла решаемой задачи. Вот почему ходить от лифта к двери и обратно три раза выгоднее, чем делать все последовательно: сначала запереть дверь, потом идти к лифту, потом ждать, когда он придет.

Выгоднее в смысле экономии времени. А если бы цель была сделать как можно меньше лишних движений, сэкономить энергию, тогда нельзя уже сделать наименьшими затраты времени. Оптимальное управление позволяет достичь желаемого результата наилучшим образом только в некотором смысле, относительно некоторого измерителя, количественного показателя. Все зависит от выбранного количественного показателя, или, как его называют ученые, критерия оптимальности. Возьмем опять наш случай - выход из квартиры на улицу. Если критерий - время, то бегай, как ты сказал, туда-сюда. А если берешь в качестве критерия энергию, то оптимальный способ достижения цели - последовательное выполнение всех действий: запереть замки, идти к лифту и так далее. Саша задумался и уже в машине сказал: - Теперь мне понятно, почему мы с Никитой спорили, спорили, а так ни до чего и не договорились. Мы не условились о критерии!

По Москве ездить сложно. Несмотря на появление нескольких транспортных развязок на разных уровнях, транспортная проблема не снята. В городе более трех тысяч улиц, миллион своих машин и до ста тысяч автомобилей гостей

На центральном посту управления атомным ледоколом 'Россия'. Здесь для компьютеров нашлось немало работы. С атомным реактором шутки плохи. Без управляющей и контролирующей вычислительной техники ядерное 'сердце' корабля надежно служить не будет. Кибернетика плюс вычислительная техника - вот что такое современная автоматика. Идея оптимального управления, претворенная в жизнь, дает колоссальный выигрыш сил, времени и средств

- Верно. Оптимальный маршрут может проходить через центр города, а может и по кольцевой автомагистрали, все зависит от критерия оптимальности. Возьмем расход энергии водителя. По кольцу езда спокойнее, там нет перекрестков и светофоров, внимание водителя не так напряжено. По этому критерию оптимальное управление заключается в выборе кольцевой дороги. Если нас интересует расход бензина, то через центр города дорога короче, следовательно, энергии топлива потребуется меньше. По критерию времени нужно еще посмотреть. Центр в определенные часы бывает перегружен, у светофоров скапливаются вереницы машин... Ну вот, мотор нашего "Москвича" прогрелся, можно ехать. Так какой выберем маршрут?

- О расходе бензина мы говорили. Но есть еще износ тормозных колодок, сцепления и коробки перемены передач. При езде по городу эти части автомобиля изнашиваются гораздо быстрее, чем по кольцу. Там почти не приходится тормозить, останавливаться и снова начинать движение с первой передачи. Надо учесть еще износ шин... Нужно считать.

- Быстрее доедем, чем считать,- сказал Саша.- Вот если бы был автомат, который смог бы выдавать оптимальные маршруты для любого времени суток, для любых условий да по любым критериям,- это было бы здорово!

- Такие автоматы уже созданы учеными. Образцы испытываются. Скоро они пойдут в массовое производство. Я думаю, что ты, когда подрастешь и сам сядешь за руль, будешь иметь автоматического помощника. На самолетах автопилоты применяются уже давно, на железных дорогах все больше становится автомашинистов. Эти автоматы не только советуют, как оптимизировать управление, но и сами в состоянии выполнять определенные управляющие действия без участия человека. Сейчас мы выедем на автомагистраль и продолжим наш разговор об оптимальном управлении машиной. Еще много тонкостей, загадок и тайн в этом деле. Но кое-что ты понял, я надеюсь.

- Конечно! Все не все, а главное понял: оптимальное управление такое, когда его цель достигается с наименьшими затратами чего-либо. Например, времени или энергии. А то и просто денег.

А так выглядит часть кабины с панелью управления современного воздушного 'грузовика' ИЛ-76. Когда речь идет о доставке грузов особенно срочных, авиатранспорт наиболее выгоден

Машинист Жилицкий умеет выбирать и поддерживать режим движения, близкий к оптимальному. Только за один год благодаря этому было сэкономлено 40 тысяч киловатт-часов электроэнергии - 6 большегрузных поездов! А ведь автоматы для оптимального управления локомотивами уже тоже есть

Сколько же теряет народное хозяйство страны из-за отставания в области компьютерной автоматики: ведь скорость должна быть оптимальной на любом участке дороги!

Японское парусно-моторное судно 'Син-Айтоку-мару'. Это первый в мире танкер с компьютерно-управляемыми парусами в качестве дополнительного движителя. Информация о силе и направлении ветра вводится в бортовую ЭВМ. А вычислительная машина вырабатывает данные об угле установки парусов, их площади. Эти данные автоматически отрабатываются исполнительными механизмами. Матросам не нужно лезть на мачты и тянуть шкоты

Управлять можно и проектированием. Цель та же: добиться оптимального решения поставленной задачи. Паруса для яхты 'Старз энд Страйпз' разработала вычислительная машина. Она произвела сложные расчеты, сравнила между собой тысячи вариантов

"Москвич" свернул с кольцевой дороги и оказался на широком ровном шоссе. По бетонной ленте, прямой, как натянутая нить, машины неслись в три ряда. Выбирай любой - впереди ни одного светофора, ни одного перекрестка. Это была скоростная автомагистраль Москва - Симферополь.

- Путь свободен,- заметил Николай Николаевич.- Так как же мне управлять машиной, какую выбрать скорость?

- Чем быстрее, тем лучше - скорее доедем. Вон нас "Жигули" обогнали.

Вспомнив разговор об оптимальном управлении, Саша поспешно добавил:

Провожая взглядом быстро удаляющиеся "Жигули", Николай Николаевич сказал:

- И не жаль ему бензина. На такой скорости мотор прямо-таки пьет топливо. Если водитель спешит на пожар или везет в больницу пострадавшего, тогда дело другое. Но мы не на пожар едем, поэтому критерий оптимальности управления машиной будет у нас другой, а именно: расход горючего за определенное время, скажем за час.

Давай-ка подробнее рассмотрим устройство автомобиля, иначе мы не поймем, как им лучше управлять. На первый взгляд кажется, повыше скорость - быстрее приехал в нужное место: пусть часовой расход горючего увеличился, но время движения уменьшилось, и выйдет, что на поездку израсходовано такое же количество бензина. На самом деле все не так просто. Бензин горит в цилиндрах двигателя, в моторе. Мотор превращает энергию бензина во вращение ведущих колес, в механическую работу. На эту полезную работу, на движение автомобиля, приходится только около четверти энергии сгорающего топлива. Оставшиеся три четверти греют воздух, или попросту вылетают в трубу. На что идет полезная четверть энергии сгорающего топлива? На преодоление сил, препятствующих движению. В основном это - сопротивление воздуха. Высунь-ка ладонь наружу. Что, трудно удержать? Представляешь теперь, с какой силой нужно проталкивать автомобиль сквозь эту "прозрачную стену"?

- Все ясно. Чем меньше скорость, тем лучше,- заявил он.- При двадцати километрах в час воздух почти совсем не будет тормозить машину. Горючее-то мы сэкономим, только когда же до места доберемся? Скука... Тащиться черепахой оказывается оптимально.

- А вот и неверно. То есть сопротивление воздуха не будет играть большой роли, это ты правильно рассудил. Зато больше энергии съедят сами механизмы машины, увеличатся внутренние потери. Энергия уйдет на трение, на нагрев. На малой скорости расход топлива не уменьшится, а увеличится. Существует оптимальная скорость, при которой автомобиль идет довольно быстро, а бензина уходит даже меньше, чем при медленной езде.

Компьютер рассчитал так же обводы корпуса и киля яхты. На каждой операции яхта должна была выигрывать доли процента скорости

Результат не замедлил сказаться: яхта 'Старз энд Страйпз' на парусных гонках обошла всех своих конкурентов и выиграла 'Кубок Америки'

Автомобиль тридцатых годов состоял из двух тысяч деталей. К концу пятидесятых годов число деталей возросло до пяти тысяч. Сейчас автомобиль состоит уже из двадцати - тридцати тысяч деталей

Усложнение машин идет за счет внедрения приборов и устройств автоматики, включая электронную. Это различные датчики, регуляторы, блоки реле, контрольная и сигнальная аппаратура. Появились на автомобилях и приборы, помогающие оптимизировать режим работы двигателя. Простейшими автоматами - регуляторами давления масла или термостатами - нынче никого не удивишь

Эконометр появился на машинах ВАЗ и АЗЛК последних моделей. Он позволяет следить за расходом топлива, четко указывает на ошибки водителя

Саша посмотрел на красную стрелку спидометра, которая чуть перевалила за число "80", и с интересом спросил:

- Значит, для "Москвича" оптимальная скорость равняется восьмидесяти километрам в час? Что скажешь?

- Не знаю,- пожал плечами Николай Николаевич.- Если бы точно знать, что дорога не идет на подъем или под уклон, что нет ветра, что атмосферное давление нормальное да еще кое-что,- вот тогда можно было бы заранее, сидя в кабинете, рассчитать желанную оптимальную скорость раз и навсегда. Однако, сам видишь, условия езды все время изменяются: то шероховатый бетон, то гладкий асфальт. Вот начался подъем, встречный ветер, да еще порывами. Какую выдерживать скорость? Не знаю. Знаю только, что, пока мы разговаривали, бензина сгорело на один рубль двадцать копеек. Из них приблизительно двадцать копеек я заплатил за то, что не умею оптимально управлять машиной. Да что наш "Москвич" - вся страна в проигрыше. У нас ведь двадцать миллионов автомобилей по дорогам бегают.

- Нужен автомат? - догадался Саша.- А не обойдется ли этот автомат дороже того бензина, который мы будем экономить? Ведь понадобятся миллионы таких приборов.

- Ты коснулся важной проблемы. Затраты на автоматизацию должны быстро окупаться, тут нет двух мнений. Хотя во многих случаях можно и не ждать немедленного возврата затраченных средств. Например, когда речь идет о здоровье и жизни людей, автоматам должна отводиться главная роль, даже если они обходятся государству недешево. Возьми аварию в Чернобыле на атомной станции. Для работы в местах с наиболее сильной и опасной радиацией там применялись роботы. Да не простые механические приспособления типа лопаты, управляемой издали по проводам, а сложные электронные устройства, которые могут кое-что делать и без участия человека. Такие автоматы стоят десятки тысяч, но они нужны - жизнь человека дороже. Ну а управляющий компьютер для автомобиля, о котором мы толкуем, стоит не больше чем обыкновенный микрокалькулятор: рублей сорок - пятьдесят. Кстати, достань свой калькулятор и быстренько прикинь, через какое время окупится наш автомат для оптимизации управления машиной. Даю справку: на этой трассе я езжу часто - примерно сто пятьдесят часов в год.

- Что же, я такую простую задачу устно не решу, что ли? За полчаса можно сэкономить двадцать копеек, за час - сорок. А за год получится шестьдесят рублей. А дальше - одна прибыль. Здорово! А скажи, папа, такие автоматы уже есть? Или пока только отдельные образцы для опытов, как те, о которых ты прежде рассказывал, ну, для выбора оптимального маршрута при езде по городу?

- Пока что в массовое производство пошли автоматы для оптимального управления работой автомобильного двигателя. Электронное устройство зажигает бензовоздушную рабочую смесь в цилиндрах мотора в зависимости от скорости движения, температуры воздуха и самого двигателя, от других условий. Специальные приборы, которые называют датчиками, измеряют все показатели условий работы мотора. Таких датчиков обычно бывает от семи до девяти. Измеренные датчиками числовые значения, которые составляют входную информацию, вводятся в миниатюрный управляющий компьютер. А компьютер вычисляет оптимальный момент зажигания и управляет системой зажигания мотора. В этот же компьютер можно ввести дополнительные данные, например: о скорости ветра, о крутизне подъема или уклона дороги. Тогда водитель сможет оптимально вести машину, сообразуясь с "подсказками" компьютера, или же, по желанию, электроника все будет делать сама, автоматически. Как видишь, ради оптимального управления машина обрастает современной вычислительной техникой, электроникой.

Электронные системы зажигания и блоки регулирования холостого хода тоже перестали быть редкостью на автомобилях отечественных марок

И все же лучше, когда вся автоматика машины 'завязана' на единый 'мозг', на бортовую управляющую и информационную вычислительную систему. На экране дисплея отображаются все нужные сведения. Любое отклонение от нормального режима обратит внимание водителя режимом мигания, цветом, звуком

Датчики скорости, температуры охлаждающей жидкости, разрежения воздуха на входе в двигатель и другие датчики дадут необходимые сведения вычислительной машине

Существуют десятки видов землеройной техники. Около трети всей расходуемой промышленностью энергии затрачивается на разработку грунта и угля. И каждый оборот ротора, каждое движение ковша экскаватора связаны с большими потерями. Подсчитано, что до сорока процентов производительности землеройных машин теряется зря, летит на ветер. Причина все та же - неоптимальный для данных условий режим работы

Экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдеры, роют, срезают, перемещают землю, вгрызаются в угольные пласты. Без компьютерной автоматики не обойтись и здесь

"Москвич" мчался по Подмосковью. За окнами сменяли друг друга зеленые поля, сосновые леса, березовые рощи. Потом показалась строительная площадка. Здесь стоял ажурный башенный кран, рокотали бульдозеры, роя и перемещая землю. Тут же работал экскаватор, прокладывая глубокую траншею. Повсюду виднелись горы рыжей глины. Николай Николаевич притормозил, свернул с шоссе и остановил машину рядом со строительной площадкой.

Нужно ли автоматизировать работу башенного крана? Может быть, проще обучить крановщика, чем ломать голову над сложной схемой? К тому же кран станет дороже, если его оснастить автоматикой. Часто на усложнение машин идут именно ради повышения надежности. Например, в авиации часто применяют резервирование различных систем. Управление усложняют четырехкратно! Зато надежность резко возрастает

Далеко не всякая сложная машина малонадежна. Если исходить из привычного 'чем проще, тем надежней', то мы должны вернуться к лопате и лому. Лучше всего к лому. Он состоит из одной детали и отказывает редко. Оптимальное управление позволяет повысить производительность машин, а это те же деньги. Если затраты на внедрение компьютерной автоматики окупятся за год-два, вопрос ясен, поскольку землеройная техника обычно служит гораздо дольше, не менее восьми - десяти лет. Теперь о надежности. Бытует совершенно неправильная точка зрения: чем сложнее, тем меньше надежность. Внешне будто бы логично - самая надежная деталь та, которой нет. Однако в том и состоит сила автоматики, что она регулирует, защищает технику от ошибочных действий человека, создает наиболее благоприятные режимы работы агрегатов и узлов

Современная же техника становится все более совершенной и более надежной за счет ее усложнения

Независимо от типа и назначения землеройной машины она преобразует энергию топлива в энергию разработки грунта. Чем больше земли или угля будет перемещено за счет каждого грамма горючего, тем лучше. Можно и наоборот: считать количество вынутого грунта на грамм горючего. Как улучшить это соотношение?

Опытный машинист обеспечивает высокую производительность при снижении затрат топлива. Никакого чуда здесь нет. Нужно уменьшать непроизводительные потери. Например, работает бульдозер или скрепер. Взята слишком тонкая стружка грунта - тяжелая машина идет зря, топливо летит в трубу. Взята, наоборот, толстая стружка - гусеницы начинают пробуксовывать, скрести землю. Значит, опять потери

- Я пойду по делу,- озабоченно сказал Николай Николаевич,- а ты, Саша, не глазей просто так по сторонам, а присмотрись-ка получше к работе строительных машин и механизмов. Их автоматизация - тоже очень нужное для страны дело. Строек у нас много, на них работают сотни и сотни тысяч таких машин. Представляешь, как выгодно для народного хозяйства оптимально управлять их работой? Сейчас такое удивительное время - не только инженеры и ученые, но и школьники должны быстрее вникать в проблемы автоматизации. И не просто изучать их, но и решать. Вон рядом с нами пыхтит мощный бульдозер. Попробуй-ка угадать, как, каким образом можно лучше управлять его лошадиными силами, запрятанными в мотор. Ну а я пошел.

Саша тоже выбрался из "Москвича" и стал наблюдать за работой бульдозера. Вот машинист включил передачу заднего хода и быстро сдал назад. Затем он опустил блестящий, отполированный землей отвал и двинул тяжелую машину вперед. Перед отвалом стала собираться горка срезанной земли. Скорость бульдозера упала, хотя мотор заревел громко и натужно. Бульдозерист поднял отвал повыше, чтобы стружка срезаемого рыжего суглинка стала тоньше. Но земли перед отвалом скопилось уже слишком много. Машинист еще увеличил подачу топлива, мотор взревел громче прежнего. Из выхлопной трубы пошел черный дым. Гусеницы бульдозера стали скрести землю, а машина двигалась все медленнее и наконец остановилась совсем. Потом все повторилось сначала: задний ход с поднятым отвалом, опускание отвала, движение вперед с быстро растущей горкой земли, буксование и, наконец, полная остановка машины. И так много раз.

Саша наблюдал очень внимательно за работой бульдозера. Ну, роет машина землю. Получается большой котлован. На его краю растет гора земли. При чем тут оптимальное управление? Саша так ничего и не придумал.

- Ну, как дела? - поинтересовался он,- Разобрался, как выгоднее управлять машиной?

- Ничего удивительного. Задача сложная, не каждому по плечу. Попробуем разобраться вместе. Ну-ка, вспомни, что такое оптимальное управление. Или забыл?

- Кажется, так: наилучшее управление по какому-нибудь критерию. Когда цель достигается с наименьшими затратами.

- Главное ты усвоил. Ну а каков критерий оптимальности управления для бульдозера? Каково назначение этой машины, цель ее применения? И какой ценой эта цель достигается, за счет каких затрат?

- Землю срезать и толкать ее вон туда. Вот и вся полезная работа,-ответил Саша,-а затраты - солярка горит в моторе.

- Что ж, и это верно. Вот тебе и критерий: количество полезной работы по перемещению грунта, то есть земли. Конечно, это должна быть работа на единицу затрат, на каждый грамм использованного дизельного топлива.

Смотри, машинист не успел поднять отвал бульдозера, и машина резко замедлила ход, гусеницы забуксовали. Какое уж тут оптимальное управление! Топливо горит, мотор крутит уйму стальных деталей, гусеницы по глине скользят, а хода нет. Нет полезной работы по перемещению грунта. Другая крайность: бульдозер идет легко, не буксует. Казалось бы, это и есть оптимальный режим работы машины. Но только на первый взгляд. На самом деле при таком управлении полезная работа, приходящаяся на единицу сожженного топлива, очень мала. Многотонную машину нужно двигать, на это уходит много энергии, а земли разрабатывается и перемещается мало. Поймать золотую середину, или, как говорят ученые, реализовать оптимальное управление для такой машины, как бульдозер, еще сложнее, чем для автомобиля. Но трудиться над этим стоит. Бульдозерист высокого класса благодаря своему опыту и природным данным выполняет за смену в полтора-два раза больше работы, чем средний специалист. На той же машине, в тех же условиях. Да еще и горючее при этом экономит. За счет чего, спрашивается? За счет того, что лучше управляет машиной. Всем бы так управлять, да не получается у всех. Вот поэтому-то ученые и изобретатели и озабочены тем, чтобы с помощью умных автоматов добиться большего увеличения полезной работы, выполняемой любыми машинами и механизмами. Энергия добывается с трудом, нужно лучше ее использовать. Созданы такие приборы микроэлектроники, которые названы микропроцессорами. Мы видели их на выставке. Микропроцессоры как раз и позволяют создавать умные устройства для оптимального управления. Это самая настоящая революция в машиностроении! Но о микропроцессорах и управляющих микрокомпьютерах мы еще поговорим. А пока подойдем вон к тому экскаватору и посмотрим, как он устроен и как работает.

Карбюратор - довольно сложный прибор с элементами автоматики. Здесь есть поплавковое устройство для поддержания заданного уровня топлива, есть устройство для обеспечения надежного запуска холодного двигателя. Есть и 'экономайзер', ускорительный насос и система холостого хода

Оптимальное решение - очень емкое понятие. Решение принимается на стадии проектирования машины, детали, целой гидростанции. Решение принимает водитель машины, поезда, катера. Решение вырабатывается и автоматическим устройством при получении сигналов от управляемого объекта

В сотне метров от бульдозера в земле пролегала глубокая траншея. Отрывал ее многоковшовый экскаватор. Ковши были прикреплены к большому колесу. Колесо беспрерывно крутилось, ковши вгрызались в землю. Экскаватор медленно шел на гусеницах, оставляя за колесом с ковшами готовую траншею с гладкими, ровными стенками - хоть сейчас укладывай трубу или электрический кабель.

Понаблюдав внимательно за работой машины, Саша, которому очень хотелось показать, что он начал чуть-чуть разбираться в оптимальном управлении, сказал:

- Ясно. И здесь есть мотор, и здесь тратится топливо. Топливо сгорает и дает энергию. Только в этой машине энергия расходуется иначе, чем в бульдозере. Там крутились одни гусеницы, а здесь еще и колесо с ковшами вертится. А мотор-то один. Я бы управлял этим экскаватором так: если земля твердая, то силу мотора почти всю переключил бы на ковши, а на гусеницы оставил бы чуть-чуть. А если встретился песок, дал бы газ, чтобы машина шла быстрее, а ковшам в мягкой земле много энергии не надо, такую землю легко рыть.

- Ну а все-таки, сколько это: "чуть-чуть", "много", "мало"? - спросил Николай Николаевич.

Решение принимает архитектор, и не одно. Сколько этажей, каковы размеры здания, его формы? Как разместить жилой микрорайон на местности, вписать в ландшафт? Вопросы, вопросы... И ответ на каждый из них есть решение

Время 'волевых' решений прошло. Нужны решения глубоко обоснованные, продуманные до конца. Идея оптимизации решений - одна из самых капитальных научно-технических идей второй половины двадцатого века. Но без вычислительной техники практически трудно выйти на оптимальное решение в любой области. Компьютер не арифмометр, сложить-вычесть можно и без него

Компьютер - средство оптимизации решений. Однако 'но' есть везде. При использовании ЭВМ тоже есть свое 'но'. Компьютер сам по себе - только техническое средство, как говорят, только 'металл'. Чтобы находить решения для оптимального управления, нужна программная 'начинка' компьютера. А программу можно составить лишь в том случае, когда известен метод оптимизации. И когда есть математический аппарат практических вычислений, когда метод - не голая идея, а точная и однозначная последовательность, которая называется алгоритмом

Стало быть, прежде всего нужно разработать для ЭВМ алгоритмическое и программное обеспечение, вложить в металл 'душу'. А начинается все с идеи метода оптимизации. Самая простая идея, приходящая в голову,- перебор возможных вариантов. Хорошо, когда таких вариантов два или три. Скажем, из Тихого океана в Атлантику можно попасть через Панаму и еще двумя путями

- Верно, не проходили. Без математики тут не обойтись. Вся загвоздка в том, что оптимальное управление зависит от условий работы машины. Грунт меняется, меняется сцепление с ним гусениц. Когда машина идет под гору - мотору легче, на гору - тяжелее. Необходимо все время вычислять точно, какую часть энергии давать на разработку грунта, а какую на движение самой машины вперед. Короче, нужна автоматизация управления. Но простым автоматом здесь не обойтись. Помнишь, я показывал тебе, как устроен карбюратор автомобиля? Там есть поплавок и игла. Мало бензина - поплавок опускается, и игла открывает отверстие. Уровень бензина повышается, при этом поплавок всплывает, а игла перекрывает отверстие, по которому идет горючее. Таким образом, уровень бензина автоматически поддерживается такой, какой нужен для работы мотора, не больше не меньше. Но карбюратор - не такая сложная штука, как этот экскаватор. Чем сложнее машина, тем сложнее и тоньше должен быть устроен автомат для управления ее работой.

Тем временем глинистый участок кончился. Из ковшей машины летел теперь почти чистый песок. Но двигалась она вперед так же медленно, как и раньше.

- Видишь, экскаватор не загружен полностью,- заметил Николай Николаевич.- Автомат оптимального управления следил бы за этим и отобрал бы часть энергии у ковшей, которые теперь почти не встречают сопротивления грунта. Эта часть энергии пошла бы на увеличение скорости движения машины.

- А чем быстрее идет экскаватор, тем больше от него толку, тем скорее будет выкопана вся траншея,- подхватил Саша.- И экскаватор раньше увезут в другое место, где он нужен, где его ждут.

Николай Николаевич показал рукой на каркасы и фундаменты строящихся зданий.

- Видишь, здесь будет целый поселок. К каждому дому нужно подвести воду, электроэнергию дать, ну и, конечно, обеспечить тепло и связь. Проектировщики должны заранее все так продумать, чтобы затраты на подземное хозяйство поселка были наименьшими. Кабельные линии, тепловые и другие трассы для этого должны быть как можно короче. Стало быть, в проект застройки требуется заложить оптимальное решение. И не только по трассам различных коммуникаций. Какой высоты должны быть дома, как их расположить, чтобы людям не было тесно и в то же время чтобы не занимать много земли,- все это задачи оптимального управления строительством.

- Оптимально управляемый экскаватор идет по оптимально выбранной трассе оптимального города. Не слишком ли?

Но Николай Николаевич оставался серьезным и ответил так:

- Не слишком. Оптимизация управления должна быть и в большом и в малом. Везде и всюду - на земле, в небесах и на море. Кстати, видишь, из Домодедова самолет поднялся. Он может круто взмыть к облакам, может набирать высоту потихоньку. Есть бесчисленное количество вариантов небесной траектории воздушного корабля. А нужно выбрать одну. Опять нужно оптимальное управление! И так во всем. А теперь скажи честно: что ты понял из наших сегодняшних разговоров?

Вариантов решений может быть сколько угодно. Как быть тогда? Перебрать бесчисленное количество вариантов и сравнить их между собой по эффективности не сумеет даже самая современная, самая быстродействующая ЭВМ. Вот здесь и приходят на помощь математические методы

Скажем, требуется найти форму и размеры лопастей воздушного винта, чтобы, сделать полет наиболее экономичным для требуемой скорости. Вариантов в этом случае бесчисленное множество. Но компьютер уверенно строит схему винта будущего

Вот реактор со снятой верхней крышкой. Широкий и глубокий колодец, не имеющий ничего общего с пропеллером. А разработкой и всеми расчетами ведает тот же самый компьютер. Машине все равно, что рассчитывать и чем управлять. Была бы нужная программа. Поэтому вычислительная техника является универсальным средством автоматизации любых процессов, любых производств

При компьютерной автоматизации центр тяжести всех усилий переносится в область программирования и математического обеспечения. Ломать же голову, придумывая в каждом отдельном случае новое автоматическое устройство, не нужно. Нет необходимости всякий раз налаживать производство новых автоматов. Ведь всегда есть возможность подобрать готовую управляющую ЭВМ. Современное химическое производство в этом смысле не исключение. Специфика, особенности есть. Но и они поддаются компьютерной автоматизации

- Во-первых, что, когда пуговицы пришиваешь, нитку нельзя брать ни слишком длинную, ни слишком короткую. Во-вторых, понял про критерий. Если спешишь, то критерий - время, если не очень, то деньги или бензин. На литре бензина нужно стремиться проехать как можно дальше. Или решить как бы обратную задачу: проехать километр, а сжечь горючего при этом как можно меньше. А в-третьих, оптимальное управление - сложная штука. Нужно что-то все время считать, складывать, делить и умножать, потому что оптимальное решение легко не дается, оно скользкое, как мыло в воде. Кажется - поймал, а его нет - ускользнуло! Оптимальное решение все время меняется, для разных условий оно разное.

- Ладно, едем домой. Вот теперь ты начал кое-что понимать.

Уже в машине Николай Николаевич продолжил разговор:

- Я подумал вот о чем. Огромный выигрыш, который можно получить в любой работе при оптимальном управлении, даром не дается. Дело не только в тех сложных автоматах с компьютерной сердцевиной, которые для обеспечения этого выигрыша обычно требуются. Не так уж дороги эти автоматы, в конце концов. Нужны знания.

Основы физики, математики и химии знает, наверное, каждый. А основы науки управления - нет. Этому даже не учат во многих институтах. Когда каждый ученик, каждый рабочий усвоит хоть немного, как принимать оптимальные решения и какими способами их практически осуществлять, дело автоматизации пойдет в стране куда быстрее. Сегодня ученик, а завтра - рабочий, студент, солдат, техник или инженер.

"Москвич" бежал по ровной и широкой дороге к городу. Машины двигались местами в два и даже в три ряда в каждом направлении. Николай Николаевич был сосредоточен: он явно что-то обдумывал. Потом спросил:

- Вот мы с тобой часто ездим по этой трассе. Как думаешь, она спроектирована с учетом принципа оптимальности или нет?

- Нет,- уверенно ответил он через минуту.- В конце автострады мост. Он узкий, машины по нему идут в один ряд. Получается, что деньги и материалы вложены в строительство такой широкой дороги зря. Ведь пропустить по трассе много машин нельзя: мост "не пускает". Не додумали чего-то дяди проектировщики!

Космическая станция 'Вега' отправлена в полет. Цикл управления ею зависит от расстояния. Радиосигналы идут сначала секунды, затем минуты. Потом работает бортовой компьютер и делают свое дело механизмы станции. Через космические дали летят ответные сигналы - осуществляется кибернетическая обратная связь. Чем сложнее и совершеннее система, тем нагляднее становится суть управления как циклического информационного процесса