Автоматизация исследований по управлению ресурсами прибрежных морских регионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

?Г0

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ К ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Худозкна Марина Юрьевна

АВТШАШЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ Ш УПРАВЛЕНИЮ РЕСУРСАМИ ПРИБРЕЖНЫХ ЮРСКИХ РЕГИОНОВ

(01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация научных исследований)

АВТОРЕ О. ЕРАТ диссертации на соискание-ученой степени доктора физико-математических наук

¡/.остсва - 1996

Работа выполнена в Научном центре проблем моделирования в экологии и рекреационной географии HAH Украины и Морском гидрофизическом институте HAH Украины

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

академик Международной экологической академии Флейшман Бенцион Семенович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

академик РАЕН

Крапивин Владимир Федорович ,-Доктор физико-математических наук, профессор

Алексеев Вячеслав Викторович, доктор технических наук, профессор

Георгиевский Владимир Борисович

Ведущая организация:

Институт биологии южных морей HAH Украины

Защита состоится 10 Ои&КсХ 1996 г. В /О час. на заседании диссертационного совета Д002.74.03 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103307,г.Москва. Центр. ГСП - 3, ул.Моховая,11,ИРЭ РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН

Автореферат разослан <М.й.-% 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

М.И.Перцовский

Общая характеристика работы.

Состояние вопроса. Управление природными ресурсами имеет важное значение для прибрежных морских регионов в связи с ■интенсивным их освоением. Требование сохранения такого природного ресурса как качество морской среды приводит к необходимости анализа эколого-экономической системы прибрежной зоны. Количество элементов в такой системе может быть очень велико, что делает ее практически необозримой. Анализ взаимосвязей природных и рукотворных элементов в системе осложнен тем, что эти элементы изучаются разными научными дисциплинами, что затрудняет использование традиционных математических моделей.

В настоящее время разработаны различные подходы к моделированию морских систем, адекватных по сложности поставленным задачам. Среди них модели биологического блока морских систем (В.В. Алексеев,1974-1982), исследование моделей эко-лого-экономических систем и процессов развития биосферы в целом (В.Ф.Крапивин, 1978-1994), (Н.Н.Моисеев, 1978-1993), (Ю.М.Свирежев, 1980), имитационное моделирование экологоэко-номических систем (А.Б.Горстко, 1984). При решении задач долгосрочного прогнозирования разработан подход, основанный на идее самоорганизации, реализованный в МГУА (А.Г.Ивахнен-ко, 1975-1990). При изучении действия токсикантов на экосистему исследуется проблема идентификации уравнений по экспериментальным данным (В.Б.Георгиевский, 1974). В последнее время наряду с теорией потенциальной .эффективности получил развитие новый подход на основе моделей системологии -экоскрининговый (Б.С.Флейшман, 1974-1995).

При моделировании обычно используются динамические модели, базирующиеся на нелинейных дифференциальных уравнениях в частных производных, построение которых требует агрегирования компонент. Необходимость учета всего многообразия связей в сложной системе привела к созданию нового типа моделей. Для прогнозирования перестройки экологических и эколого- экономических систем празработан комбинированный подход в математическом моделировании - логико-информационный. Идея создания его принадлежит академику НАН Украины В.И.Беляеву. • Он основан на сочетании известных динамических моделей с логико-информационной, предназначенной для исследования слож-

ных геосистем,представляемых в виде многомерной сети функционирующих элементов, связанных через производство - потребление ресурсов. Метод позволяет проследить связь между принимаемыми в сфере управления решениями по использованию природных ресурсов и экологическими последствиями .реализации таких решений.

•Актуальность проблемы. Применение новых принципов математического моделирования в сочетании с возможностями вычислительной техники обеспечивают автоматизацию научных исследований, что позволяет получить качественно новые пути решения проблемы научно-обоснованного управления природными ресурсами. Эта задача выдвигает на первый план разработку принципов создания компьютерных программных систем управления природными ресурсами. Разработанные принципы и подходы к моделированию состояния природных систем и управления их ресурсами могут быть легко адаптированы к новому поколению вычислительной техники, которая постоянно модернизируется.

Цель и задача исследования. Цель данной работы состояла в автоматизации исследований по управлению ресурсами в морском прибрежном регионе для решения экологических проблем.Для ее реализации необходимо решение следующих задач: ( 1. На основе логико-информационного подхода разработать модель морского прибрежного региона, отражающую взаимосвязи между экономическими и природными объектами.

2. Разработать методологический подход к оценке, состояния эколого-экономических систем на базе полученной модели.

3. Решить методические вопросы включения результатов динамического моделирования отдельных функционирующих элементов в качестве нормативов потребления и производства ресурсов, в том числе качества морской среды.

4. Сформулировать и алгоритмически реализовать принципы создания компьютерных программных систем как средства реализации логико-информационных моделей и разработать методики их модификации для моделирования управления ресурсами в конкретных эколого-экономических и экологических системах.

5. Создать методику формирования информационной бг^-' модели.

6. Разработать алгоритмы поиска решений по управлению ресурсами, алгоритмы оценки перестойки системы в результате антропогенного воздействия.

7. Полученные результаты адаптировать к решению конкретных зздзч и осуществить практическую реализацию применительно к реальным системам.

Практическая значимость.

Проведена практическая реализация отдельных направлений указанной разработки.Результаты исследований-внедрены в Госстрой УССР , В Институте математики АН Киргизской ССР для моделирования районного • звена агропромышленного комплекса, в Гос. фонде алгоритмов и программ ВНТИЦЕНТР зарегистрировано как автоматизированное рабочее место плановика, в отделе курортов Крымского облисполкома для решения задач по оптимизации рекреационной обстановки, в ЮгНИРО по моделированию популяцш криля е море Содружества, в институте Акустики .(Мурманск) по моделированию воздействия акустических сигналов, " создаваемых аппаратурой геофизической разведки, на структуру биологических сообществ экосистемы шельфа Баренцева моря, на Черноморском флоте по моделированию экологического состояния Севастопольских бухт. Разработанный подход использовался также в научных исследованиях по моделированию состояния экосистемы Северо-западного шельфа Черного моря, морского прибрежного экотона в рамках проектов "Черное море", "Динамика экосистем", "Экотон" HAH Украины, "Гидроэкологи" ГКНТ Украины.

Достоверность. Достоверность проведенных исследований подтверждается сопоставимостью результатов, полученных на основе программки реализации разработанных в диссертации алгоритмов с ранее известными аналитическими результатами и реальными фактическими данными.

Научная новизна. В работе использован новый подход - ло-гико-информционный. В.И.Беляевым были сформулированы основополагающие принципы логико-информационного моделирования, а автором диссертационной работы они были проанализированы и иазвиты до теоретических положений применительно к проблеме автоматизации исследований морких эколого-экономических систем и на их основе впервые были разработаны принципы созда-

ния компьютерных программных систем и осуществлено их приложение к исследованию проблемы управления ресурсами реальных' ситем.

Апробация работы . Основные результаты исследований представлены на конференциях "Экология и рациональное использование природных ресурсов Шного региона Украины" (Севастополь, 1984), "Применение методов теории информации для повышения эффективности и качества радиоэлектронных систем" (Таганрог, 1984), постоянно действующем семинаре "Проблемы прикладной экологии" (Одесса, 1984), V съезде географического общества УССР (Симферополь,1985), всесоюзной школе - семинаре НТОРЭС "Теория систем и разработка АСУ" (Калинин, 1985), всесоюзной конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (Ленинград, 1985), республиканской конференции "Экономика исследования Мирового океана (Севастополь, 1985), всесоюзной научно-технической школе "Методы оптимального синтеза сложных систем и их приложение в инженерной экологии" (Черноголовка. 1985), конференции "Совершенствование управления развитием рекреационных систем" (Севастополь,

1985), совещании в Институте кибернетики АН УССР по вопросу применения логико-информационной модели для решения проблем, связанных с охраной окружающей среды (Киев, 1986), совещаниях в Крымском облисполкоме по вопросу применения логико-информационной модели в задачах управления народным хозяйством Крымской области (Симферополь,1986, 1992, 1993 ),Ученом совете Морского гидрофизического института АН УССР (Севастополь, 1987), 1-й всесоюзной конференции "Проблемы социальной экологии" (Львов, 1986), конференции "Экоинформа-тика" (Москва, 1986)".конференция" Кибернетика - 86" (Рига,

1986), 1-м гидрологическом съезде (Киев,1988), конференциях "Проблемы комплексной застройки Шного берега-Крыма" (Симферополь , 1988), "Минеральные и рекреационные ресурсы на Болгарском черноморском побережьи" (Варна, 1988), У-й Всесоюзной конференции по комплексной проблеме управления программами развития крупномасштабных интегрированных систем (Кцев, 1991), на совещании у зам. председателя Госкомитета СССР по науке и технике (1991), научном семинаре в Иинститут*» биологии Южных морей НАНУ (Севастополь, 1990), научно-щ жтичес-

ком .совещания у зам. председателя Облисполкомы г. Бургас (1990), Международной конференции по рыболовству (Калининград, 1993), конференции "Диагноз состояния окружающей среды Азово-Черноморсокого бассейна" (Севастополь, 1993), научных семинарах отдела оптики и биофизики моря Морского гидрофизического института НАН Украины (Севастополь, 1987 -1995), Международной конференции "Украина в правовом экономическом пространстве" (Киев, 1994), конференции выставке "Вода, Еоэдух, земля" (Севастополь, 1996). В первой главе рассматриваются методология оценки состояния природных ресурсов прибрежных морских регионов.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 41 научная работа, среди которых две монографии совместно с В.И.Беляевым и одна коллективная монография. Список наиболее важных из них приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из двух частей: 1. Адаптация методов логико-информационного моделированиям решению задач автоматизации исследований по управлению природными ресурсами (главы 1-3) . II. Разработка принципов построения автоматизированных систем управления ресурсами в эколого-экономических системах на основе логико-информационного подхода (главы 3-8). Структура диссертации отражает этапы исследования и их взаимосвязь. Текст диссертации содержит 268 страниц, 38 иллюстраций, список литературы включает 170 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во ведении обоснована актуальность темы, сформулирована основная цель работы, обоснован выбор метода исследования морских прибрежных регионов, отмечена новизна полученных результатов и ее практическая значимость.

В первой главе рассматривается методологических подход к моделированию морских прибрежных регионов в качестве сложных эколого-экономических (ЭЭС) систем на основе логико-информационных моделей, дается постановка задачи и определяются направления исследований, разрабатывается методика его применения в автоматизации исследований проблемы управления 'ресурсами.

Автоматизация исследований по управлению ресурсами в морских прибрежных регионах базируется на реализации методов математического моделирования взаимосвязей, отражающих структуру реальной системы, средствами вычислительной техники. Поскольку исследуемые системы включают не только природные объекты, но и экономические, то возникает необходимость моделирования наряду с морскими системами природных и экономических объектов суши, взаимосвязей между ними и моделирования ''антропогенного воздействия.

Существуют различные подходы к моделированию как экологических, так и экономических систем, краткий обзор которых приведен в п.1.1. Логико-информационный подход позволяет включить результаты динамического моделирования на основе известных моделей в структуру разрабатываемой модели и таким образом избежать тех ограничений на число исследуемых компонент в системе, которое накладывает построение динамических моделей. На основе построенной модели создается имитационная система, которая является средством изучения взаимосвязей в системе и исследования различных вариантов использования ресурсов.

В системе моделей, описывающих окружающую среду логико-информационные являются моделями верхнего уровня. В них используются конечные результаты исследования объектов окружающей среды, полученные путем обобщения натурных данных или по математическим моделям. Назначение их - подробно описать природно-хозяйственный комплекс. Однако, в них не используются методы нахождения оптимальных решений по использованию роесурсов математическим путем, что существенно ограничило бы число учитываемых параметров. На этапе постановки задачи модели имеют формальное сходство о математическими моделями экономики В.В.Леонтьева, использующими понятие вход-выход,но при этом не решают баллансовых уравнений или системы неравенств. Экономические объекты в них выступают как источники загрязнений и потребители ресурсов. В п.1.3.приведены основные принципы посьроения логико-информационных моделей.

•Логико-информационная модель с помощью средств булевой алгебры оценивает качественное состояние системы для различных 'диапазонов значений ее параметров. Состояние гриродг-~-акономического комплекса (ПЭК) описывается элемент ¡ми, ха-

- 7 ~

растеризующими различные звенья в системе.

В основе построения логико-информационной модели лежит понятие функционирующего элемента, который характеризуется производством и потреблением ресурсов (В.И.Беляев, 1979). Он описывается вектором состояния

?1- Ых1, хг.....хщ), (1)

где г - 1,2,...,т; ш - число рассматриваемых элементов; N1 -число параметров, влияющих на 1-й элемент; Г1- функция, описывающая состояние 1-го элемента; (Х1,Х2,... ,хт) - параметры состояния элемента: Состояние всей системы определяется характеристическим вектором К.

К - Г(гь г2, .... гт). (2)

Условия ограничения параметров можно записать в виде, отражающем нижнюю и верхнюю границы диапазонов значений производства - потребления ресурсов:

XII „< аВ11,

аН2ь< Х21 ^ аВ21. (3)

Функция Р имеет вид

Р ЛГщ ;

( 0, если хотя бы одна ^ - О, Р-, (4)

[ 1, в противном случае.

Нормальное функционирование элементов определяется набором параметров, изменяющихся в заданных диапазонах значений, названных нормативными. При выходе хотя бы одного значения за границы установленного диапазона соответствующий элемент еыходит из строя - нарушается режим работы включающего его звена, и в конечном итоге, всей системы.

К основным видам функционирующих элементов относятся: группы людей с одинаковыми наборами потребляемых и производимых ресурсов; производства ресурсов - объекты промышленности, сельского и коммунального хозяйства, транспорта и т. д.; природные объекты - парки, пляжи, морские акватории и т.д.

Для описания структуры модели (используется граф. Он содержит информацию о взаимосвязях в ЭЭС, указывая на соотно-

- а -

шения между элементами и может применяться для формализации описания систем, состоящих из сотен и тысяч элементон. Зле- . ментам ЭЭС сопоставлено множество вершин графа X - -Сх>, множество дуг У - {у> отбражают связи между ними. Каждой дуге графа ставится в соответствие весовой коэффициент, характеризующий ту долю продукции, которая производится или потребляется элементом предыдущего яруса, представленного смежной, вершиной. Исходным вершинам графа ставится в соответствие множество нормативных потребностей центральных элементов. Это элементы первого яруса. Элементы второго яруса -производства, обеспечивающие удовлетворение потребностей в ресурсах центральных элеьлнтов, которые являются для них входными параметрами. Выходными для каждого элемента второго ^руса будут параметры, отражающие потребление продукции, производимой элементами следующего яруса графа. Аналогично рассматриваются элементы последующих ярусов графа. Конечным вершинам соответствуют внешние ресурсы системы.

Средством имитационного моделирования служит имитационная система управления развитием ПЭК (ИСУ РПЭК). С ее помощью оцениваются различные варианты функционирования ПЭК и перераспределения ресурсов. При реализации модели на ЭВМ задача решается рекурсивным методом в диалоговом режиме. На каждой итерации принимается решение о перераспределении, освоении, либо привлечении внешних ресурсов. Задача считается решенной, когда на очередной итерации принимался решение, при котором обеспечивается нормальное функционирование всех звеньев системы. Результатом является оценка различных вариантов построения, развития ПЭК и выбор оптимального, с точки зрения заданного критерия.

В четвертом параграфе сформулирован методологический подход к построению логико-информационной модели функционирующего элемента. Построение модели начинается с выбора конкретной ЭЭС и определения целей ее функционирования. В зависимости от этого определяются параметры состояния, характеризующие нормативы потребления и производства ресурсов. При этом считается, что антропогенные воздействия выступают в роли отрицательных ресурсов для природных объектов, в том числе, морской среды.Это позволяет объединить.,объек-ы человеческой деятельности и природные объекты в единую I ,*пь, от-

ражаюшую их реальные связи.

Затем определяется цели управления и критерии оценки. Эффективность управления. системой оценивается с помощью выбранного критерия. Комбинированные критерии позволяют давать более гибкие оценки, но почти всегда не поддаются четкой формализации и предполагают наличие человеческого фактора. Они синтезируют в себе экономический, природоохранный, общественно-политический, социальный и другие важнейшие аспекты и могут содержать как количественные так и качественные формы оценок. Выбор центральных элементов, выступающих в роли внешних нагрузок и относительно которых оценивается состояние моделируемой системы в целом, задает режим функционирования всей системы.

Модель строится по модульному принципу. Структура связей не только всей системы, но и входящих в нее элементов описывается на основе логико-информационной модели. Они различаются между собой по набору производимых и потребляемых ресурсов, по степени влияния на их состояние антропогенных факторов и способности к адаптации. Параметры, описывающие состояние элемента, можно разделить на нормативные и ресурсные. Нормативные характеризуют долю продукции, ресурса, которая должна приходиться на единицу мощности потребляющего или производящего элемента, соответствующую нормальному функционированию. Ресурсные определяют долю фактически производимого ресурса, приводящегося на единицу мощности функционирующего элемента или общее количество производимых в ЭЭС и поступающих извне ресурсов за различные промежутки времени.

Во второй главе дано математическое описание моделе и структуры "производство-потребление" ЭЭС. В п.Й.1. приведена оценка сложности ЭЭС и пути сокращения размерности за счет разбиения ее на подсистемы. В п.2.2. представлены различные модели, позволяющие рассчитать нормативы производства и потребления ресурсов различными функционирующим!! элементами системы и разработана методика расчета норма^вов "потребления" морской средой антропогенных нагрузок. Они находятся как конечные результаты существующих решений задач о формировании полей загрязнений и других воздействий нз окружающую среду. При известных ПДК загрязнений в вбпаА 'водопользова-

ния, по ним установливаются нормативы мощностей источников загрязнения. Исследуются модели турбулентной диффузии от точечного периодического источника загрязнения и стационарного.

Снижение нормативов потребляемых ресурсов и производимых загрязнений объектами народного хозяйства возможно на основе оптимизации режимов функционирования элементов, представляющих соответствующие отрасли производства. Эта задача может решаться с использованием приведенных в п.2.3 математических моделей и методов.

В третьей главе описана структура исследуемой экосистемы и разработана методика построения логико-информационных моделей функционирующих элементов "природные водные объекты" и "природные объекты суши". Разработанные структурные схемы моделей элементов включают основные параметры и устанавливают вза-эиосвяэи, определяют перечень учитываемых производимых и потребляемых ресурсов,виды антропогенных нагрузок'и основные источники загрязнения. Приведены верхние и нижние границы некоторых веществ, поступающих в водную среду от различных источников.

Функционирующий элемент "водный объект" может представлять собой морскую среду или водный объект суши. В ЭЭС он рассматривается как среда обитания разнообразного животного и растительного мира. Сохранение качества водной среды, соответствующего равновесному состоянию сообществ, определяет цель его функционирования и составляет его основной ресурс. Он характеризуется водным баллансом, гидрофизическими, гидрохимическими и гидробиологическими характеристиками, значения которых для устойчивого состояния экосистемы варьируют в определенных диапазонах.

В качестве потребляемых природных ресурсов выступают стоки рек, ливневые стоки, атмосферные осадки, подземные воды. Антропогенное воздействие как отрицательный ресуро потребляется в виде промышленных и сельскохозяйственных отходов и сточных вод, ливневых стоков, загрязняющих веществ о атмосферными осадками. Кроме того, выражается в зарегулировании стока рек, изъятии воды, истреблении популяций. Уровень потребления природных ресурсов должен соответствовать равновесному состоянию водоема. Изменение его иску 'ственным

путем рассматривается как антропогенное воздействие. Интегральные оценки качества воды могут быть основаны на характеристиках трех уровней: экосистемы, популяции, организмов определенного вида.

Описание граничных условий в модели может быть выполнено на сонове различных моделелей, приведенных в главе 2: гидродинамических, водного балланса, терморегуляции, обмена веществом и энергией,"хищник-жертва",роста и смертности популяций, изъятия ресурсов.

В качестве центральных элементов модели выбираются биологические виды, относительно которых и производится моделирование ресурсной обеспеченности. При моделировании морской экосистемы им присваивается приоритет на получение каждого вида ресурса, который подчеркивает ограничительный характер соответствующего фактора.

Другой важной группой элементов являются природные объекты суши. Они также имеют сложную структуру производства-потребления, состоят из множества элементов, и включаются в модель ЭЭС согласно методике, представленной в п.3.2.

Вторая часть работы посвящена разработке принципов построения автоматизированных систем управления ресурсами в ЭЭС на основе логико-информационного подхода. В основу положен обобщенный алгоритм логико-информационных человеке-машинных программных систем (гл.4). Его создание начинается с формирования информаг.юнной основы (п.4.1). Объекты и явления моделируемой ЭЭС, абстрактные понятия логико-информационной модели составляют предметную область информационной системы модели. При ее изучении выделяются наиболее общие свойства и отношения, характеризующие реальные объекты и их состояние, а для описания используются элементы теории графов и теории множеств.

Входные данные логико-информационной модели содержат сведения о парных взаимосвязях всех элементов системы и их числовых характеристиках, о внешних ресурсах системы, центральных элементах, их мощности и нормативных потребностях, представленные конечными множествами G, R, Ц, М, NOR. Выходные данные информируют пользователя о запросах ЭЭС на те или иные ресурсы, состоянии ЭЭ^ в результате реализации набора управленческих решений, степени ресурсной обеспеченное-

ти, слабых звеньях, сбое в цепочках "производство-потребление" в системе. Эта информация, соответственно, составляет входы и выходы алгоритма логико-информационной модели ЭЭС. В ходе работы алгоритма появляются промежуточные результаты. Для описания структуры модели между этими множествами устанавливаются соответствия.

Применяется два способа задания множеств: в виде матриц для • описания входов, и порождающей процедурой для промежуточных результатов и выходов. Использется способ задания множеств в Еиде одноименных матриц, строки которых соответствуют показателям, описывающим состояние элемента соответствующего множества, а ' столбцы - различным дополнительным признакам, характеристикам. Им присваиваются значения из некоторых подмножеств.

В общем виде для всех элементов указывается величина производимой и потребляемой продукции на единицу мощности функционирующего элемента, диапазоны изменений параметров элементов, признаки качественной и количественной оценки производимого или потребляемого ресурса, указание временного интервала, в котором состояние системы определяется как статическое, и ряд других характеристик, важных для описания элемента и его взаимосвязей. Исходя из этого можно представить в виде матриц множество нормативных потребностей•

llnijll/

Признаки, характеристики, этих показателей принимают значения из некоторых подмножеств:

Номер района: n11Ç1,2,... ; номер элемента: ni 2 е 0,1,. :ч , L;. приоритет: п^з çl ,2,.. . ; номер центрального элемента, который характеризуется данным показателем: ru4 Si,2,...,S; Период: гцбСТ; длительность: n^STl; признак производства ресурса: ni7 - f3-ÎO, 1)- ; признак вычислимости, или качественной характеристики: гцв ~ f4<0.1> nigÇREAL -множество нормативных значений.

Множество внешних ресурсов

Il Гц ||js .

Признаки-характеристики и принимают значения из подмножеств :

TiieRig, пееэ, ri3er{o,i>, где Г - признак верхней или нижней границы.

ri5£T, Г1б€Т1, ri7€fv TiseREAL, где REAL -множество значений внешних ресурсов (для удобства используется обозначение множества ресурсов).

Множество связей (граф)

II tu IIL10 ,

Строкам соответствуют показатели, характеризующие связи между двумя элементами в системе, столбцы соответствуют признакам, характеристикам,значениям этих показателей:

Sil» Si5 ~ наименования (номера) взаимодействующих элементов;

5П2> f?i6£fi» fl - {0,1,2} - признаки вершины в графе: начальной (О), промежуточной (1) и конечной (2) для второй инцидентной вершины для данной пары элементов;

£i3. gi 4 ^ f2 ~ признак перерасчета по времени каждого из смежных элементов; f2 •• -СО, 1>, где 1 означает перерасчет значения показателя.

Eiiet, ffieeTi, gig€f , Биоекоэф, где Коэф - множество значений показателей.

Описанные данные , организованные в соответствии традиционными трубованиями, образуют базу данных модели.

Алгоритмическая реализация логико-информационной модели основана на рассчете ресурсной обеспеченности в ЭЭС и оценке ее состояния с помощью средств булевой алгебры. Для экономических и природных объектов рассматриваются два возможных состояния: нормальное функционирование и сбой в режиме работы, т.е. отказ. Функция Н состояния ЭЭС зависит от функции состояния отдельных ее элементов Н и выражается в конъюнктивной форме

Н - HiV Н2 v... V Нк , (5)

где К - число элементов в ЭЭС, К - L + S.

Нормальному состоянию элемента отвечает значение функции, равное 1. Если работа элемента в режиме функционирования данной ЭЭ^ считается неудовлетворительной, то этому состоянию соответствует значение функции, равное нулю. Следовательно, Н принимает значение 1 лишь в том случае, когда все без исключения функции состояний элементов принимают значения, равные 1.

. Если рассматривать состояние ЭЭС как функцию Н состояний отдельных элементов Hi, которые, в свою очередь, можно

- 14 -

рассматривать как подсистемы, состоящие иг совокупности элементов, которые определяют состояние подсистемы и т.д.,то модно записать :

н - г (На, н2, .... нп)

На - (Нц, Н>2, ..., Нш ),

Н13 - ?! 5 (Н^] , . . . , Нхп ),

'.........1 _ _ 1 Л .

- Рн...* (Ни...1с , .... НИп ). (6)

1 П...К

Оценка функционирования системы с помощью средств булевой алгебры по логико-информационной модели выглядит следующим образом. После того, как рассчитаны запросы системы на производство ресурсов в ЭЭС, производится сопоставление их о имеющимися ресурсами. Состояние элемента Н1 - 0, если хотя бы один из потребляемых им ресурсов не имеется в достаточном количестве или качественные характеристики его выходят за пределы указанных диапазонов.

Для некоторого элемента Э1 , состояние которого ^ , рассмат- 1 ривается упорядоченное множество пар. Если среди этих пар состояние хотя бы одного элемента Н,- 0, то

- V Э^Э; /Э^ , Э^Э, Э^ Эд, Нд - 0 - - 0, (4.2)

где 1 -'фиксировано.

Для цепочки элементов, представляющих некоторый путь длиной п в ориентированном графе- Н1 - Нг Л Нз Л ...Л Нп Н1 - 0, если хотя бы один Н3- - 0.

На последнем этапе оценки состояния ЭЭС множество запросов на ресурсы БШ сопоставляется с множеством имеющихся ресурсов И. Булева функция состояния Н имеет |1?| компонент (число компонент равно мощности массива ресурсов)

Н - (Нь Н2, .... НЯ ), (6)

где Н1 - 0 при БШх < 1?! ; Н1 - 1 при 5Ш > и представляют собой коньюнкцию этих переменных.

Средством реализации логико-информационной модели является диалоговая имитационная система управления . При ее создании заимствованы уже известные ранее принципы тганкг->-ционных автоматизированных систем и используются но> .¿е,сфор-

мулированные в соответствии с логико-информационным подходом, что и определяет особенности ее построения. Блок-схема алгоритма функционирования имитационной системы управления ПЭК имеет еид:

1. Выбор объекта - конкретной ЭЭС -»

2. Задание цели-»

3. Выделение структурных элементовв ЭЭС (районов)-' ■ 4. Определение взаимосвязей элементов ■*■

5: Выбор параметров, характеризующих элемента и их связи в системе -*• ' .

6. Задание граничных условии

7. Представление информации в виде, пригодном для ЭВМ -»

8. Ранжирование информации ■

9. Построение информационной системы

10. Задание центральных элементов, их мощности, определение периоды оценки -» - -

11. Приведение используемых данных к заданному периоду-»

12. Формирование требований центральных элементов в соответствии с нормативами

13. 'Формирование массивов запросов на ресурсы и производство ресурсов

14. Интеграция ресурсов в системе -♦

15.' Сопоставление фондов с потреблением -*•

16. Переход к диалоговому режиму работы

17. Еывод системы из рабочего режима .

Выбор объекта моделирования - конкретной ЭЭС и зздание конкретной цели (блоки 1,2) в значительной мере определяют входы и выходы алгоритма, а также структуру модели" (блок 3). При определении структурных взаимосвязей между■элементами помимо гадания множеств элементов Э (вершин) и и (ребер) задается трехместный предикат Р (блок 4).

Инцидентор Р удовлетворяет следующим условиям:

- определен на всех упорядоченных тройкай элементов Э,и, у, где э, уеЭ, ие и

(V и €и)(3э, у еЭ){Р(э,и,у) & (V э\ У'£Э)Л Л[Р(Э',и,у')-(Э - Э' & у - У'ЖЭ - у' & у - э')3> (7)

Так как рассматриваем ориентированный граф, то для любого и еи истинно высказывание

( V э,у€Э) СР(э,и,у) - P(y,u,3)]. (8)

"•У

Эти действия определяют информационную базу модели. Параметризация модели, задание граничных условий характеризуют управленческие воздействия на систему (блоки 5,6).Далее выходим на внешний уровень создания информационных систем - ^ обеспечение пользователя удобными средствами взаимодействия с информационной системой (блок 7,8). Все зти действия завершаются созданием информационной системы (блок 9). После этого задаются внешние воздействия на систему, инициируемые в модели как задание мощностей центральных элементов, периода и длительности формирования (блокЮ), приведение данных к единому периоду. Затем производится расчет требований центральных элементов системы в соответствии с принятыми нормативами (блок 12).

При расчете рассматривается множество мощностей центральных элементов модели М, множество нормативных потребностей N и некоторый подграф G", множество нормативных требований Inorjjlj9. Начальные вершины подграфа G" составлены из центральных элементов Ц, конечные - из нормативных потребностей NOR. Следовательно, если множество вершин графа G Ц U NOR, то G" - (Ц U N0R,U").

Задается мощность i-ro центрального элемента Mj, где 1 I.

Формируется массив нормативных требований. Этот массив, получаемый в ходе промежуточных расчетов на основе массива нормативных потребностей, не входит в информационную базу системы, численные значения его показателей являются интегральными оценками для заданных мощностей центральных элементов.

Возможны четыре варианта расчета J-ro нормативного требования I центральных элементов:

1 1

[■С V i€l | T(i) - 0, Tl(i) - О, f4 (i) - 0> V V { V i€l | T(i) * 0, Tl(i) - 0, f4(i) - 0>l|Q П T(i) --•[ (ggf, - fgf mol ) V (ygjj - ip^ nie! )]. (9)

2) г

[{ V 1€I | T(i) - 0, Tl(i) -0, f4(i) * 0>V V{ V iel I T(i) " О, T1(i) - 0, f4(i) * 0>]|Q П T(i) -, - ( fgf: - SMini9). ' (10)

3) г

[< V 161 | T(i) - 0, Tl(i) * 0, f4(i) - 0> V

• V i V i€I | T(i) * 0, Tl(l) 1» 0, f4(i) - 0>1|Q T(i) ^ г Q1 i J

nfii^i<»>

4) г

[{ V | T(i) - 0, Tl(i) * 0, f4(i) # 0> V V {V i€I | T(i) * 0, Tl(i) * 0, f4- 0>]IQ П T(i) -

Q1

(12)

Показатели нормативов считаются различными, если у них не совпадает хотя бы одна из характеристик. Поэтому эти операции правомерны только для показателей, у которых основное и дополнительные имена совпадают NOR - {поп.погг,...,nori>. Полученные значения показателей рассматриваются как мощности начальных вершин графа.

Оценка ресурсного потенциала системы происходит в процессе прохождения ориентированного графа G в прямом направлении и включает формирование массивов запросов на ресурсы и производства ресурсов. Граф имеет множество маршру тов

Е (ui , u2 , . • •, Uw ),

где Е' Е" - Е; E'(u'i, и*2,•.•, u'w- ) - множество путей;

E"(u"i, u"2. ■•■, u"W" ) - множество циклов, ui u - множе-

1 w

. ctso ребер. Глубиной прохода прохода Z графа G назовем максимальный путь между парами конечных и начальных вершин Z(G) - max Z О'.Э") (13)

S'GNOR, 3"<=R.

или

•Z(G) - шах|tnax | Э'. (14)

- 18 -

Граф представлен матрицей, в первом столбце содержатся номера начальных вершин дуг, а в пятом - номера их конечных вершин, в остальных - различные признаки-характеристики. В последнем - вес каждого ребра, соответственно.

Алгоритм может быть представлен в следующем виде: Последовательно выбирается одна из начальных вершин графа G

Э, с. NORj (i - Q )• (15)

^Отношение Р, связывающее пару вершин Э^и 3j

V Э, 3i|3j, 3iA Э Эз * 3i [POj.u.Sx)], (16) et/Oü

зафиксировано в матричной форме в матрице G. По ней отыскиваются смежные вершины.

Рассчеты ведутся поочередно для каждого региона в пре- . делах отдельных групп показателей с одинаковым приоритетом. В массиве нормативных требований на ресурсы NOR 11погх j11jS выбирается очередной показатель, отражающий некоторые нормативные требования высшего приоритета центральных элементов в системе в целом на ресурс, производимый этим элементом, т.е. для которых попз - 0. Среди них выбирается элемент п, по порядку номеров nori2 , начиная о наименьшего номера min{nori2>. Расчет мощностей элементов первого яруса графа начинается с поиска множества вершин графа, для которых 3<£G| гц - nonil nori2 - 0. (17)

Для этих вершин Эу| 3,yGG, Э * у, по матрице llEijll отыскиваются показатели, характеризующие множество пар

ги.ЕгБ! Eil - norS2€G. (18)

Каждой из этих пар в массиве G сопоставлена некоторая величина, дающая качественную и количественную характеристику производимого или потребляемого ресурса. В зависимости от этого, а также от некоторых других свойств показателя, эта величина, прежде, чем использоваться в-дальнейших вычислениях, подлежит соответствующему перерасчету. Условия перерасчета определяются пятью дополнительными характерист. '■сами :

' - 19 -

расходности каждого элемента пары ¡íí3»¡íí4; временными gi7,

gi85 ПрИЭНаКОМ ВЫЧИСЛИМОСТИ .

Обозначив результат перерасчета коэффициента графа через Ai, а общий расчетный показатель поместив в сумматор SUMI мощностью D, можно представить следующие варианты расчета ресурсов первого яруса графа:

1) Для качественных показателей

[( V Í€D| £17 - О, г,8 - 0, г19 - 0) V

V ( V i<=D| Q n gi7f * о, ¡лв - о, - 0) -

- [ SUMI (ffi5) - г,«]. (19)

при Q n SUMKíiS) - O-

2) При ЛЮбЫХ £i3 , Si 4

[ ( V i €Dlgi7 - O, - о, ею * 0) V

v'( v icol Q п ei7 , ei7 " o, eie - о, ею * o) -[ SUMI (^5) - SUMlíffis) + Si 10 nonojl (20)

3) При любых ei3 . ei4

[ (V i€D| £i7 - o, £i8 " О, - 0) V

V (_V i€D| Q n gi7 , Si7 " o, -Bi8 54 0, ei9 - 0)1 -{ sumáis) - min[ suMi(ei5),eiio] |Г-1 V

V SUMlfei5) - rnax SUMl(eis),ffilo] |r_0 }• (21)

признак граничности U - 1 (что соответствует верхней границе) и U - 0 (нижняя граница).

4) г

[ ( V Í6D | £i7 - 0, gi8 * 0, gig * 0) V

V ( V i£l| Q П ei7, £i7 " 0, £i8 * 0, ё1вк 0)] -

- [ SUMlteis)'- SUMl(£i5) + Siionorjg]|(ei3 v ffi4 - o) V .

V [ suMi(gi5) - sumKeís) + Siionorig/q] | (ei3 £i4 - o) v

SUMl(gi5) - SUMl(Ei5) + ffilonoriQ • Q

(22)

Одновременно с расчетом промежуточных ресурсов определяются запросы системы на внешние ресурсы, формируется массив запросов (счет ведется по ш ).

После того, как просмотрены все упорядоченные пары с Элементом £15, выбирается следующий по порядку элемент массива нормативных требований и процедура поиска смежных вершин .и расчета значений первого сумматора повторяется. Процесс процесс заканчивается после просмотра всех нормативных требований. Расчет, для промежуточных ярусов графа будет проходить по описанной-выше схеме с использованием дополнительных сумматоров и заканчивается при достижении заданной погрешности. Далее производится расчет для группы элементов с более низким рангом приоритета по той же схеме. Результат сопоставляется с оставшимися ресурсами.

Оценка состояния системы производится путем сопоставления запросов на. ресурсы с имеющимися. В итоге формируется массив обеспеченности ресурсами. По окончании расчетов пользователю выдаются сведения об обеспеченности ресурсами с указанием района и распределение по приоритетам.

Важной функцией имитационной системы явлется осуществление диалога. В нее входит выполнение связи между пользователем и диалоговой имитационной системой, задание режима работы системы, в том числе подготовка информационной базы, оценка состояния ЭЭС, анализ этого состояния и принятие решений, а также управление работой системы в условиях этих режимов, информирование о результатах их функционирования и обеспечения принятия и реализации управленческих решений..

Диалоговые обращения пользователя к имитационной системе представляют собой некоторое множество обращений МУ 1,У2,...Д|с ).

Диалоговые ответы ИС на запросы извне образуют мно-. жество ответов № - которые позволяют представить результаты работы системы по данному запросу в удобном виде, выдать информацию на внешние устройства вывода (дисплей, печать), осуществить необходимую выборку данных. По указаниям, полученным системой в ходе диалога, она выполняет некоторые действия из множества И - -Ш, 0.....0>.

Принятие управленческих решений из множества ьоэмс;-;-: х

решений У - -(У, V, ...,У> обеспечивается во время диалога и складывается из указаний, действий, запросов и ответов ИС.

Между функциями, реализуемыми элементами прерчисленных множеств, существуют взаимосвязи. Различные комбинации этих элементов однозначно определяют каждый иа пречисленных режимов. Решение по управлению ресурсами составляется посредством некоторого набора элементов этих множеств, расположенных' в строго определенной последовательности. Реализация ва,-рианта по управлению ресурсами может быть представлена следующим образом:

1 УУП6У Уп - Уп(Уп0^п) ; Vn€V, Б^О^еИ (23)

т.е. для каждого решения Уп существует некоторая последовательность действий, начиная с диалогового обращения У|< из множества V. Действия ИС в соответствии с указанием, содержащимся в диалоге, являются некоторым подмножеством из множества После выполнения этих действий система информирует о результатах моделирования по запросам пользователя, т.е. выдает ответы из множества

Помимо принятия управленческих решений пользователь оперирует диалоговой ИС для получения различного рода информации о ее состоянии, ресурсах, нормативах, 'взаимосвязях. Эти действия однозначно задаются в ходе диалога:

V Ук V, V* - (ОЧЛ) 0к Б, И. (24) кеК

Ответы, выдаваемые системой, определяются в зависимости от полученного результата:

I

V ЩйУ, Щ &(д1), Пх€д. (25)

ее-Ь

Между диалоговыми запросами и ответами существует строго определенное соответствие, выражаемое соотношением эквивалентности между этими множествами: V? - V.

Диалоговые сообщения о состоянии системы.

Важная роль диалоговому общению исследователя с ЭВМ от-

водится при формировании информационной базы, построении информационно- поисковой системы на ее основе и дальнейшей эксплуатации этой системы. Используя введенные ранее обозначения, алгоритм А диалогового управления работой ИС можно представить в следующем виде: А1 - У^Л - начало работы; VI - запрос исследователя о готовности системы; - подключение ИС; - запрос указания режима работы.

При указании режима работы возможны также варианты диалогового управления:

1. По запросу ИПС:

А2 - (V2VVзVV4)D2(W.¿\/Wз)(V5W6)Dз(W4VW5VW6) (26)

Уг, Уз, У4 - указывается вид работы с ИПС: формирование, корректировка, справочная информация;Юг - выбор соответствующей программы; Уз - запрос устройства ввода -вывода, формы представления, запрос данных; Уб, Уб - ответ в зависимости от запроса; Бз - вызов программы, обеспечивающей этот вид работы; У/б, Ив - вывод на дисплей, печать, внешние носители.

2. В режиме оценки состояния ЭЭС:

А3 - И7У704050б1>70809У8^4\/И5\№б) (27)

№7 - запросы системы о внешней нагрузке: Чу - задание внешней нагрузки (периода и мощностей центральных элементов); Об -приведение данных к заданному периоду; Юб - формирование запросов системы на^ресурсы и информация о производстве ресурсов; Ов - интеграция ресурсов; Вд - сопоставление фондов с потреблением; Уе - запрос вывода оценки состояния.

3. В режиме анализа состояния ЭЭС:

А4 - \*2(У5УУ6) (Уд Л Ою) V (Ую Л Бц) V

V (УцД012) (\*/4\№5\Л/б) (28)

Уо» VI0>Уц " задание вывода табоиц обеспеченности ресурсами, недостающих ресурсов, распределения ресурсов по районам; Бю - выбор необходимой информации из дополнительных сумматоров об обеспеченности ресурсами взаданном районе; Бц - выбор сведений о недостающих ресурсах, их расчет; Баг - выбор дан-

нач об обеспеченности отдельным ресурсом по всем районам.

4. В режиме принятия решения:

А5 = И1(Аг V Аз V А4 V Щ, (29)

- выход из программы.

• Модель принятия решения представлена в п.4.4. После того, как составлена структурная схема логико-ин-формацион-ной модели конкретной ЭЭС, построена иимтационная система (ИС), диалоговая ИС может работать в режиме принятия решений. Он подразумевает более полное использование возможностей каждого из перечисленных режимов, многократное обращение к диалоговым средствами различные Еариации параметров системы. На каждой итерации в режиме человек варьирует внешние нагрузки, входные переменные, структурные соотношения, задает различные режимы работы ИС, которая сопоставляет, рассчитывает, оценивает и выдает готовый результат на дисплей или печать.

Решение достигается за несколько шагов, итерационного процесса,на каждом из которых ИС получает указание от исследователя. Последовательность действий определяет направленность решения:

- Установление необходимости принятия решения , оценка Iситуации - \tfiA3 , в которой производится расчет реального состояния ЭЭС.

- Выявление слабых звеньев в структуре. По запросу о режиме рзботы выбирается режим анализа состояния с подробными характеристиками распределения ресурсов У 2 - А^. В этом режиме выбор перечня ресурсов, по которым принимается решение, производится по указанию Уз. По запросу ИПС проводится корректировка нужного массива информации и в удобном для пользлвателя режиме вводятся изменения в массивы, информация в качестве справки выводится в заданной форме:

Уз - ЪЩ(Уз V Уб)(»4 V Ws V Иб) (30)

- Указание У4 сопровождается формированием новых массивов или их дополнений на заранее определенных пользователем

устройствах ввода - вывода:

74 - (Уз V У6)02(И4 V Иб V У?6). - (31)

Уз/КОИ, Уз/еДз/И, Уз/ТЕХТ - дополнение,корректировка масои-врв нормативов, овяэей, ресурсов, текстов; У4/Н0Я, У4/В, У4/И, У4/ТЕХТ - формироввание новых данных в соответствующем массиве.

Принятое решение прежде всего отражает: .

1. Перераспределение ресурсов, которое производится по одному и тому же ресурсу в пределах нескольких регионов, по приоритетам, между различными объектами. Оно достигается в модели путем изменений, вносимых в массив ресурсов, и принимается в процеоое просмотра результатов оценки ресурсной обеспеченности, сведений о недостающих реоурсах и обеспеченности данным ресурсом по всем районам. Решение 1 о перераспределении ресурса между несколькими районами или объектами имеет вид:

В режимах Аз и А4 выбираются наименее обеспеченные ресурсы с высшими приоритетами для некоторых регионов. Рассматривается возможность их удовлетворения за счет других регионов или при отсутствии такой возможности, за счет ограничения потребления объектами с более низким приоритетом. Изменения касаются только информационной системы, в частности, массива результатов.

2. Привлечение новых ресурсов. Это решение формируется из указаний: --

Удовлетворение требования в дополнительных реоурсах сопровождается введением в строй новых мощностей, которые порождают серию дополнительных связей.. Это решение состоит в следующей последовательности указаний:

Р1 - У1У2Уз/1?.

(32)

Р2 - У1У2*4/Н У4'Т.

(33)

Рз " У1УзУ4/М0К У4/'Б у4/техт у4/и

(34)

Уз/М0{?,Уз/Э, Уз/ТЕХТ - дополнение. Корректировка массивов

нормативв, связей, текстов; У^/ШЖ, У4/0, У^/ТЕХТ ,У4/!? -формирование соответствующих массивов.

3. Пересмотр действующих нормативов и' использование экстенсивных технологий выражаются в изменении нормативных характеристик, корректировке и формировании новых взаимосвязей:

Р4 - У1У2Уз/М0Р V У^/МОЯ (35)

4. Введение новых мощностей, освоение новых технологий отражжается в изменениях соотношений элементов гграфА:

Р5 - У^гСУз/Б) V (У4/0). (36)

5. Оценка предложения о введении нового объекта в ЗЭС производите^ при следующей последовательности указаний:

Рб - У1У2У4«7У7У4/№Ж Л Уз/0 Л У/ТЕХТ. (37) -

При этом выбирается некоторый ресурс, по отношению к которому принимается решение, и объект, за счет которого!решается вопрос удовлетворения потребности системы внем. Необходимая справочная информация указывает величину недостатка'или уровень качества ресурса. Эта величина принимается за мощность объекта. Новый объект вводится как новый центральный элемент, мощность которого определяется пользователем' - экспертом. Оценка нагрузки, производимой новым объектом, выполняется индивидуально,-поэтому остальные нагрузки, представленные центрапьнгыми элементами, приравниваются к нулю. Расчет производится по алгоритму модели на основе графа с Добавлениям новых связэй.

6. Изменение режима функционирования системы достигается путем изменения внешних нагрузок. К ним относятся мощности центральных элементов в период интенсивного использования:

Р? - 7АзА4У4- ( 38)

Меняяя мощности центральных элементов и период их действия, оцениваем состояние системы в режимах оценки и анализа. Полученная справочная информация дает картину .изменении в ска-

теме.

Методика принятия решения рационального природопользо вания на основе рассмотренных алгоритмов, содержится в п. 4.5. При оценке состояния ЭЭС на основе логико-информационного моделирования для управления ресурсами ЭЭС в задаче ра ционального природопользования критерием принятия решени считается нормальное функционирование природных, в том чис ле, биологических, объектов, входящих в структуру ЭЭС, т.е природной среды и биоты, ее населяющей. При' этом подраэуме вается, что нормальнму состоянию природного объекта соот ветствует такое, при котором сохраняется природный объек как структурное целое со всеми взаимосвязями входящих в его состав элементов, с сохранением видового разнообразия и пре вьшением критической массы населяющей его Оиоты.

Целевая функция управления е - условиях экономическог развития региона - достижение некоторого комплекса экономя ческих показателей развития'хозяйства региона из множеств Эк и реализация социальных программ при соблюдении основны требований, охзраны окружающей среды:

Р - тах(Эк1,..,Экн; Сощ,...,Соцк; Пр1,...,Прм)

ЭкпеЭк, с0цк£с0ц, Прт€Пр, (39)

где Соцп^Соц - множество показателей уровня социального рэ вития региона: ПрщСПр - множество характеристик состояния с ружающей среды.

Активное воздействие человеческого фактора позЕЪляе избежзть таких сложных вопросов, возникающих в задачах опти мизации, как многокритериальное^ оценки достижения цели наличие большого числа параметров, что увеличивает врем рассчетов и усложняет процесс сходимости и поиск удовлетво рительного решения. После того, как подготовлена информаци онная база, можно перейти к режиму принятия решений.

1. При' составлении информационной базы Еажным моменте является учет воздействия каждого экономического объекта н окружающую среду. Поэтому в структуре взаимосвязей межд природными объектами и объектами, созданными человеком, не обходимо отразить соотношения, характеризующие истребление природных ресурсов , их изъятие, загрязнение, рассматривай

эе как отрицательный ресурс, приходящийся на единицу мсщ,-эсти функционирующего элемента, а такяе загрязнения, пос-авляемые в среду каждой группой населения, нагрузка инф-аструктуры на природный ландшафти другие виды антропогенно-о вмешательства.

2. Задание внешней нагрузки должно соответствовать ре-льной ситуации или осуществляться с целью прогноза. В ка-естЁе периода оценки целесообразно выбирать интервал време-и наиболее интенсивного воздействия на систему.

3. Исследователь задает режим оценки состояния системы [а основе имеющихся данных. Сведения, представленный в таб-[ичной форме, анализируются по двум напрвлениям: определяет-;я состояние природных объектов, выступающих в модели в ка-[естве источников некоторых ресурсов, и выявляются природные збъекты, у которых результирующая-антропогенная нагрузка на-эушает нормальное функционирование: просматриваются основные юказатели хозяйственной дестельности данногорегиона, по которым определяется пути уменьшения нагрузки за счет сокращения некоторых производств: если такой возможности нет , го исследователь переводит систему в режим анализа состоянякя.

4. В режиме анализа состояния можно определить антропогенные нагрузки на природные объекты в соответствии о приоритетами по группам, представленным в соответствующих списках. Исследователь может принять решение ограничить потребности элементов с более низкими приоритетами в недостающа ресурсах,' что осуществляется в режиме работы информационной системы.

Другой вариант решения - пересмотр соотношений, характеризующих воздействие на природный объект в виде загрязнений. Удельный вес этого воздействия в значительной степени отражает технологию утилизации отходов, производительность ее составляющих звеньев. Здесь возможны решения, направленные на конструктивные изменения в этих процессах, на территориальное перемещение источников загрязнений и вывод их за пределы региональнойЭЭС. Эти действия отражаются в изменениях, вносимых в информационные массивы ресурсов(территориальное размещение выпусков сточных вод, дорог, промышленных предприятий и т.д.) и массивы нормативов(ограничение объема проихводства), в граф (изменение технологии).

- 28 -

5. Для четкого выявления цепочки элементов, приводящих к отрицательным поледствиям для природного объекта, в режиме анализа по графу прослеживаются пути от ресурсов к нормативным требованиям, которые отаскиваются при обратном прохождении графа. Это дает возможность определить неявные связи в системе и составить список элементов, нормативные потребности которых порождают спрос на указанный природный ресурс. По этому списку исследователь с привлечением специалистов -экспертов в дальнейшем может выяснить варианты изменений режимов функционирования соответствующих объектов.

6. При планировании строительства новых объектов иссле-довыатель должен оценить их воздействие на окружающую природную среду. Для этого он оценивает предполагаемую мощность этого объекта, который теперь выступает в модели в качестве центрального элемента. Мощности остальных центральных элементов не учитываются. Задается период предполагаемого ин-тенсивнеого функционирования объекта, вводятся новые связи в информационные массивы нормативов и связей. Оценка и анализ состояния япроизводится для этого конкретного объекта в условиях изучаемой ЭЭС. Система предоставляет в табличной форме списки необеспеченных ресурсовсреди которых исследователь выделяет природные и определяет, соответствует ли мощность объекта-и весь комплекс материально - технических и социальных проблем, связанных с введением его й строй, ассимиляционной емкости существующего природного комплекса.

7. В качестве одного из ресурсов природного объекта рассматривается его ассимиляционная емкость, т.е. возможность природного объекта трансформировать и выводить продукты антропогенной деятельности без нарушения своего естественного состояния. Ассимиляционная яемкость для каждого природного объекта конкретной ЭЭС определяется индивидуально, согласно существующим методикам рассчета и конкретным условиям, и определяет объемы предельно - допустимых загрязнений. Эти данные можно получить от специалистов экспертов соответствующего профиля яили воспользоваться существующими динамическими моделями для их рассчета.

При выборе моделей, по которым рассчитываются эти показатели,. предпочтительнее, при прочих равных условиях, модели, дающие заниженные их значения, что позволяет внести в

ассчеты некоторый запас "прочности" и повысить надежность рогноза.

8. Дефициты'ресурсов, возникающие в системе, могут пок-ываться внутренними резервами, которые может изыскать поль-ователь в режиме анализа состояния за счет сокращения из-ишних, звеньев многоступенчатых связей.

9. В случае, когда все перечисленные меры не удовлетворит в конечном счете требованиям охраны окружающей среды, :сследователь должен принять решение об ограниченности мощ-:ости центральных элементоз, что означает ограничение деч-'ельности некоторых предприятий и развитие отраслей региона ;о веоичины, при которой достигается равновесие между разви-:ием народнохозяйственного комплекса и функционированием 1риродных объектов. Проведенные рассчеты послужат' научным >боснованием принятия решения.

В пятой главе излагается алгоритм оценки состояния био-югического блока логико- информационной модели ЭЭС.

Потребностям биологических видов отвечают некоторые ди-шазоны значений абиотических, антропогенных и биотических факторов среды pki, «ц, рш , принадлежность к которым фиксируется качественными характеристиками гуа, ац, fmi, ■финимающими значение 1 и 0 в случае выхода за пределы указанных диапазонов. Мера популяции bi будет некоторой функцией от факторов среды

bi - Bi(rii,...,rki; aii,...,aii; fij,...,fmi). (40) Биотический фактор fmi является функцией от'мер популяций fmi - Fmi(bi.....bi)^ (41)

Для каждого i-ro элемента условия нормального существования можно записать

V 1 Э|(pkiH < Pki < PkiB

«liH < «и \ оси® (42)

ftniH < Фш < 9mi3): Tki - 1, aii - 1, fmi " 1.

BiCrni, aii.f mi) - (A rki)(A an)(A fmi). (43)

k€K leL m«M

Графовая интерпретация модели биологического блока строится по следующему принципу. Начальным .вершинам сопсс-

тавляются центральные элементы - биологические виды. Следующим ярусом подграфа служат элементы, составляющие нормативные значения абиотических, антропогенных и биотических факторов. Третий ярус подграфа будет представлять антропогенные, абиотические и биотические факторы среды, составляющий ресурсы питания и условия обитания биологических видов, представленных вторым ярусом графа и т.д. до последнего яруса, где .мы имеем дело с внешними ресурсами системы.

Расчет мощностей элементов подграфа производится по по алгритму, изложенномы в главе 4. После того, как осуществлены расчеты мощностей всех элементов подграфа, производится оценка качественных характеристик гю, а! 1 и условий доминантности вида Гк^ и а^*1 . При изменении некотоых факторов в системе прогноз видового состава осуще> вляется с помощью графа.

В модели биологического блока рассматриваются три возможных состояния биологического обьекта (вида) : нормальное, угнетенное и доминирование, которые предопределены условиями обитания. Для первого яруса проверяются условия

( 1 при РМН < рк! + Дрк1 < рк!в Гк1 - < (44)

4 0 при других значениях;

если Гк1 - 1,то Па

311

( 1 при рк1нс1 < рк! + Лрк1 < рк1вс1 „ ч а - < (45)

4 0 при других значениях;

, 1 при «цн < ссн + Дй11 < йИв 1 - { (46)

4 0 при других значениях; .

( 1 при «и < «11 + Дан < апва Iй- { (47) 0 при других значениях.

_В4 - п 1 Л Г21 Л.. .Л Гк» Л а!1 Л а21 А-. .Л Л ан Л Ти Л Л. ..Л Гт1 V Гк^ацДть! (кеК, теМ, (48)

Гк1 - 1. - 1,Гпн - 1): Ь^ - 1;

Вг6 - гий А гца Л...Л ГкЛ ацй Л Л. ..Л Л анй М21а Л...Л ^

Для второго яруса

Гш - (В1 Ч...Ч ВО, Ьх - (г11 Л.. .Л г4к) А (311 Л.. .А ан) Л

- 31 -

л аи л...л гт1).

Для третьего и последующих ярусов

- (ш**)л (^и)л кй

- Ь1 У...Ч Ьь

Полученные значения качественных параметров подставляются в уравнения и процедура повторяется до тех пор, пока не прекратиться появление нулей для всех Ь^ V 1 е1| Ь! - 1.

Эта схема будет давать прогноз возможных изменений в составе биотических компонент системы.

Режим "популяционного взрыва" оценивается по этой же схеме, но с учетом признака доминантности с^ - 1, когда 1-й вид доминирует и си - 0 в противном случае: ( Для первого яруса:

- гц* Д. ..Л гкх* Л вил Л...Л ац* Л £иа Л...Л (тй Гви* " (Ь1 V...V ЬО Л (<11 У...У (II) (51)

для последующих ярусов

(1! - г1Л..гКгс1а11<1...а1л<1

(Ь1 Ч...Ч ЬО А №1 Ч...Ч ¿1) (52)

На каждом последующем ярусе процедура повторяется для

V 1€1| V Гт1 к 0. результате выясняется, какие виды исчезли, а какие стали доминирующими или перестали ими быть. С учетом таких изменений производится перерасчет коэффициентов динамической модели и оценка производится заново. ' ч

В соответствии с этим алгоритмом разработана•методика моделирования престройки структуры экосистем пЬд акустических, химических и тепловых воздействий (п.5.2:).'

Информационная Саза модели включает четыре массива. Массив центральных элементов1 представляет собой перечень основных биологических обьектОв в исследуемой акватории. Массив нормативных требований ' содержит ■,' величины пороговых воздействий загрязнения на каждый биологический вид. Массив фазовых состояний - информацию о стадиях развития каждого

биологического вида. Массив трофических связей отражает структуру пищевых цепей.

Возмущающее, воздействие задается составом и мощность за гряз-нений с учетом седиментации, биоседиментации, г ид роду намического переноса и ослабления, в морской среде. Получен ные значения сопоставляются с пороговыми для каждого биологического объекта и среди них определяются те, для которых такое воздействие оказалось критическим. Среди остальных по массиву фазовых состояний находятся виды, уяязьвимые лишь не ранних стадиях развития. В этом случае нормальное существование этих популяций может оказаться под угрозой с течением времени, так как Судет подорван репродуктивный потенциал.

Далее, по матрице трофических связей для каждого вида, исключая вышедшие из строя, оценивается кормовая база. Если хотя бы один вид пищи сохранился, то предполагается, что вщ нормально существует. Однако у тех видов,для которых подорвана кормовая база, численность резко сокращается и они, в свою очередь, не смогут обеспечить виды хищников, для которых являются единственным компонентом пищи. Поэтому, процесс оценки на этом шаге алгоритма повторяется до тех пор, покг не Судет достигнут установившийся режим. В этом случае можно оценить масштабы последствий от данного - вида загрязнений и определить биологические виды, находящиеся в угнетенном состоянии.

Среди оставшихся некоторые могут выйти на режим доминирования, для чего необходимо выполнение двух условий - положительного репродуктивного потенциала и достаточность кормовой базы, способы рассчета которых представлены в п.5.1.

Этот подход позволяет получить качественные оценки состояния экосистемы, определить тенденции, предсказать ослабление или угнетение отдельных популяций, что позволит соори-ентировать направление экономического развития в данном регионе с учетом экологических требований. Он был реализова применительно к задаче исследования воздействия акустически; систем, используемых в геофизической разведке на морско: шельфе, на изменение видового состава сообществ (п.8.5.).

Указанный подход позволяет предсказать критическую си туацию, когда совпадение других неблагоприятных факторов -шумовым воздействием может привести к обеднению акватории.

В главе 6 приведенный алгоритм был применен для модели-ования состояния некоторой промысловой популяции. Отличие зкдючалось в том, что учитывались не только качественные ризнаки обеспеченности ресурсами, но и количественные оцени выживаемости по нескольким факторам, и оценка проводилась относительно одной популяции.Модель была разработана в общем аде и затем пршенена для моделирования популяции криля, в юре Содружества. Полученные материалы представлены в главе I. Оценка численности в разных возрастных группах проводить по модели динамики возрастнокго состава (Р.А.Полуэктов, .974). Исследовались прежде всего три причины изченения чис-шнности популяции - под влиянием нарушения трофических связей, изменчивости гидрологического режима и воздействии многолетнего вылова. Полученные оценки предназначались на для определения точного размера ущерба, что в условиях неполноты информации затруднительно, а для престаления масштабов негативных процессов, порядка воздействия, чувствительности экосистемы к различным факторам.

В седьмой главе разработаны принципы создания компьютерных программных систем на базе изложенного в предыдущих главах подхода, воплощенные в системе "ЛОГИНФОРМ". Для нее разработаны структуры информационного и математического обеспечения. Оно реализовано в виде имитационной системы управления развитием • природно-экономическим комплексом (КСУ РПЭК). Первоначальный вариант практической реализации был осуществлен полностью автором на языке ПЛ - 1 на ЭВМ 1060.

Следующая модификация системы была выполнена для микро-вычислйтельного комплекса с использованием микро-ЗЗМ "Электроника- 60" с перфоленточным вводом в программном исполнении 'в.З.Хайкова на языке "Ассемблер", что позволило существенно расширить систему при ограниченной оперативной памяти. Пэ мере развития программных средств и появления нового поколения компьютеров, осуществлялись последующие 'модификации системы на языках высокого уровня. Последняя выполнена на Турбопаскале, версия 6.0. в техническом исполнении Ю.И.Никифорова. Эти реализации отражали не только развитие програм-ных средств, но и самого подхода, с учетом как его теоретического развития, так и опыта эксплузтдции.

В данной главе рассматривается методологический подход

к. решению этих вопросов, не зависящий от типа используемой ЭВМ, так как конкретное приложение имеет ряд индивидуальных особенностей и может быть рассмотрено только в процессе построения конкретной эколого-экономической системы. Структура компьютерной системы определена шестью режимами работы - гадание условий функционирования системы, работа с базами данных, оценка состоснияЭЭС, анализ состоянияЭЭС, оценка качества среды, задание варианта решения.

Информационное обеспечение системы организует всю информацию о параметрах ЭЭС в соответствии со структурой модели абстрактной ЭЭС , содержит алгоритмы преобразования структуры информационной базы под реальную систему с конкретным информационным наполнением и выполняет функции информационно- поисковой системы (ИПС).

Математическое обеспечение (МО) представляет собой совокупность алгоритмов и программ для организации вычислительного процесса и ведения диалога исследователя с ЭВМ. Множество программ образуют набор функциональных подсистем, объединенных управляющей программой. МО разработано для выбранной структуры массивов данных. По назначению оно подразделяется на операционную систему данной ЭВМ и специальное. Специальное МО составляет совокупность алгоритмических и программных средств для реазации абстрактных формульных алгоритмов разработанного подхода. Оно подразделяется на вспо-могатальное МО и функциональную подсистему ".

Управление ресурсами в "ЛОГИНФОРМ" осуществляется на основе методик, описанных в главе 4.

Восьмая глава иллюстрирует приложение изложенного подхода к решению конкретных задач. Логико-информационная модель, алгоритмы которой запрогаммированы и введены в ЭВМ, является техническим средством управления^ ЭЭС, включающей морсую среду. В первом параграфе содержится обоснование требований к выпускам загрязнений, сделанное на основе приведенных в главе гидродинамических моделей, для акваторий в районе Севастополя и Ялты и введенных в модель в качестве (Нормативов потребления антропогенных нагруок.

Завершенная логико-информационная модель ЭЭС "море-антропогенные факторы суши" была внедренз и прошла опытнук эксплуатацию в Отделе курортов Крымского облисполкома ъ

рамках целевой комплексной программы "Курорт" Крымского облисполкома. В ходе внедрения системы проведена специальная подготовка для работы о.моделью сотрудников данного отдела, выполнена апробация методики эксплуатации имитационной системы управления развитием природно-экономического комплекса. Испытание модели показало, что она является эффективным средством экологически обоснованного управления народным хозяйством. Универсальность модели позволяет внедрять ее для самых различных ЭЭС. В качестве исоледуемого региона была выбрана Большая Ялта как одна из крупнейших рекреационных зон Крымз. Цель состояла в анализе возможностей народнохозяйственных объектов обеспечить нормальный уровень жизни постоянного и временного населения, а также в оценке устойчивости природных' комплексов под действием возрастающей антропогенной нагрузки. В итоге были сформулированы рекомендации по оптимизации рекреационной обстановки (п.8.2.).

Другим примером применения ПСУ РПЭК к проблеме рационального распределения вида ресурсов, стало ее использование в Институте математики Кирг. ССР для районного звена агропромышленного комплекса (АПК) о учетом природоохранных требовании. Опытная эксплуатация логико-информационной модели на примере двух хозяйств показала возможность и перспективность применения такого типа моделей при планировании и управлении в районном звене АПК (п.8.3).

Моделирование воздействия загрязнения на биологические объекты экосистем - моделирование экосистемы криля в море Содружества и перестройки структуры популяций в Баренцевом море описаны в п.8.4 и п.8.5.

Опыт практической реализации позволил расширить и обобщить развиваемые теоретические положения.

Основные результаты исследований отражены в заключении.

Предлагаемая работа относится к фундаментальным исследованиям. В ней использован и развит новый метод в экологическом моделировании и на его основе нового подхода разработаны принципы создания компьютерных програмных систем г.о управлению ресурсами, проведено обобщение проведенных исследований для самых разнообразных эколого-экономических систем и разработана методологию по управлению природными ресурсами

морских прибрежных регионов с помощью современных компьютер кых средств.

Для того, чтобы использовать полученные результаты исследовании проблемы управления ресурсами конкретных ЭЗС в диссертации разработаны методологический подход и методик адаптации созданных алгоритмов и сформулированных принципов моделирования к решению конкретных задач. Обобщенный под ход,'использованный в работе, в зависимости от постановк задачи и исходных данных преобразует абстрактный метод н только к экологическим и эколого-экономическим системам,но к чисто экономическим проблемам поиска вариантов рациональ ного распределения ресурсов. ^

Применение данного подхода на практике к самым разнооб разным системам для исследования проблемы управления ресур сами показала его универсальный характер и принципиальну пригодность к моделированию целого класса ЭЭС.

Основное содержание, выводы, рекомендации достаточно полно представлены в следующих публикациях:

1. Беляев В.И., Худошина М.Ю., Хайков В.З., Щетинин Ю.Т.

Моделирование морских рекреационных систем. Препринт МГИ АН УССР, Севастополь, 1985. 44с.

2. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Желудковский Е;А. Применен«

логико-информационной модели для анализа состояния приб режной контактной зоны района Большой Ялты //В кн. Мат.конф. "Совершенствование управления развитием рекре ационных систем", Севастополь: 23-25 окт, 1986, МГИ А УССР.ДЕП. в ВИНИТИ 11.03.87.N 5803-В 87, с.259 -263.

3. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Человеко-машинная система уп

равления развитием природно-экономического комплекса Буклет.Севастополь, 1987, 4с.

4. Беляев В.И., Кочергин В.П., Худошина М.Ю., Нуритдино

P.P. Применение логикоинформационной модели в задача управления развитием районного звена агропромышленног комплекса Киргизии. МГИ АН УССР, Севастополь. 1988, Деп в ВИНИТИ 31.05.88, N 4308 В- 88 , 21с.

5. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Применение логико-информацион

ных моделей в задачах управления развитием природным ресурсами // В кн.: Проблемы инженерной геологии, гидро геологии и геокриологии районов интенсивной инженерно

нагрузки и охрана геологической среды. ч.В, Киев: Наук, думка, 1989, с.193 - 195. Ь. Беляев В.И., Кочергин В.П., Худошина М.Ю., Нуритдинов P.P. Логикоинформационное моделирование управления развитием агропромышленного комплекса (опыт сотрудничества АН УССР и АН КиргССР) // BICH. АН УССР.-1989.- . 10.- С. 65-73.

7. Б&ляев В.И., Худошина М.Ю. Применение логико-информацион-

ных моделей в задачах управления развитием природно-зко-номическим комплексом // Автоматика.- 1989.- . 1.- С. 31-39.

8. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Основы логико-информационного

моделирования сложных геосистем,- Киев: Наук< думка, 1989.- 169 с.

9. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Обобщенный алгоритм логико

-информационных человеко-машинных программных оистем. Препринт, Севастополь, МГИ АН УССР, 1989, 70 с.

10. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Локико-информационная модель для управления развитием морского экотона на примере районов Большой Ялты и г.Бургаса// Комплексные океанографические исследования Черного моря.- Севастополь: МГИ АН УССР.- 1990.- С. 165-175.

11. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Логико-информационные модели экологических систьем // В кн.: Системные исследования проблем морской экологии. МГИ.АН УССР, Севастополь, 1990 Деп. в ВИНИТИ 10.01.91. N 181-В 91, О. 16 - 50. '

12. Беляев В.И., Яковлев В.Н., БибикВ.А., Йахомов Е.А., Островская И.Г., Соловьева Н.В., Худошина М.Ю. Подходы к математическому моделированию популяции антарктического криля Тез. док. Международной конфереции по раболовству, Калининград, 1993, 2с.

13. Беляев В.И., Совга Е.Е., Худошина М.Ю., Дорогунцов С.И., Николаенко Т.С. Управление развитием эколого-экономичес-кой системы морского побережья Юга Украины//' Тез.док. Межд. конф. "Украина в правовом экономическом пространстве", Одесса, 1994. 4с.

14. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Моделирование системы город -окружающая среда. Логико-информационный подход. К.', На-укова думка, 1994, 337 с.

15.. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Оценка изменений структур

I отдельных популяций морской экосистемы при антропогенны: изменениях абиотических и биотических факторов среды н< основе логико-информационной модели // В кн. .-Комплексна' экологические исследования Черного моря. МГИ НАН Украины Севастополь, 1995. о. 135 - 146.

16. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Моделирование речных природ _ йо-хоэяйственных комплексов для обоснования рационально

го использования их ресурсов. В1сник НАНУ N 1995, 25 с.

17. Котовщиков Б.Б., Худошина М.Ю. Оценка состояния морско рекреационной . системы на основе логико-информационног моделирования //В кн. ¡Совершенствование проблемы океано логии Черного моря. Севастополь, Деп. в ВИНИТИ 6.03.86 N 5179 -В, 1986,4.1, с.106 - 117.

18. Худошина М.Ю. Принципы формирования информационног обеспечения логико-информационной модели рекреационнс системы Крыма // В кн.: Совершенствование управлени развитием рекреационных систем. Севастополь,4-6 апр 1985,МГИ АН УССР, Деп. в ВИНИТИ, N 7284 - В, ч.1, с. 2С -212.

19. Худошина М.Ю. Логико-информационная модель взаимодейс твия "море - антропогенные факторы суши" // Автореферг диссертации кандидата технических наук. Севастополь, Щ АН УССР, 1986, 15 с.

20. Худошина М.Ю. Моделирование-, взаимодействия в систем "море - антропогенные факторы суши" в целях сохранен! рекреационных ресурсов // Мат.конф. ¡Минеральные и рекр< ационные ресурсы на Болгарском Черноморском побережы "Дружба", Варна, 1988, ОДУ "®Р- Ж. Кюри". 17-17 ок^ 1988, с. 59-60.

21. Худошина М.Ю. Логико-информационная модель прибрежш экосистемы в задачах охраны рекреационных ресурсов Че] ного моря // В кн.: Комплексные океанографические иссл! дования Черного моря. Севастополь, 1989,•„ с. 105 - 113.

22.Худошина М.Ю. Логико-информационная . модель воздейств: антропогенных факторов на качество морской среды // кн.: Моделирование геохимических процессов в морск прибрежном экотоне ( ред. В.И.Беляев, Е.Е.Совга).Кие Наук, думка, 1993, с.112 - 120