Анализ устойчивости локальных эколого-экономических систем как сложных динамических объектов

Актуальность темы

Современное развитие промышленности в условиях научно-технического прогресса выявило одну из важнейших проблем — взаимодействие производства, окружающей природной среды и общества. Рост производственных мощностей повлек за собой увеличение производства загрязняющих веществ, которые попадая в локальную окружающую среду (ЛОС) наносят ущерб природе и населению. В связи с этим актуальной становится проблема совершенствования системы управления предприятием, которая в нынешних условиях должна выполнять следующие задачи: во-первых, стремиться к увеличению производства благ с целью получения наибольшей прибыли, и, во-вторых, формировать управляющие воздействия, учитывающие состояние ЛОС и здоровье населения.

Из особенностей сформулированных задач следует вывод о необходимости исследования устойчивости взаимосвязанного функционирования трех подсистем — производства, локальной окружающей среды и населения — как единой локальной эколого-экономической системы (ЛЭЭС), принадлежащей к классу социально — экономических систем.

ЛЭЭС относится к классу сложных систем и характеризуется большим числом взаимосвязанных параметров, иерархичностью структуры, нелинейностью и нестационарностью поведения, динамичностью и адаптивностью.

Проблема создания управляемой ЛЭЭС, обладающей перечисленными свойствами, связана с проблемой исследования динамики и проектирования систем оперативного управления (СОУ) сложными динамическими объектами, в частности производственно-экономическими. Большой вклад в решение этих проблем внесли отечественные ученые А. А. Вавилов, Н. Н. Моисеев, Н. В. Чепурных и многие другие. Среди зарубежных исследователей следует отметить труды Дж. фон Неймана, В. Леонтьева, П. Самуэльсона, Дж. Форрестера Медоуза, Донеллы и других.

Большинство работ по управлению и исследованию динамики в сложных производственных системах в условиях взаимодействия с окружающей природной средой посвящено либо изучению динамики и управления собственно производственным процессом без учета экологических факторов, либо изучению непосредственного влияния загрязняющих веществ на качество ДОС или здоровье населения, либо изучению возможностей ликвидации последствий загрязнения окружающей среды. Проблемы исследования взаимосвязанного и взаимообусловленного функционирования производства, окружающей среды и населения и, в первую очередь устойчивости этой системы, в литературе отражены не достаточно полно. Это и определило цель данной работы и задачи исследования.

Данная работа основывается на методологии, подходах и системных принципах исследования динамики сложных систем, изложенных в [39, 138].

Цель работы и задачи исследования. Целью данной работы является разработка математических моделей ЛЭЭС и ее элементов, структуры и алгоритмов для системы оперативного управления производственной системой на основе концепции учета действия техногенных факторов на локальную окружающую среду, а также исследование ее свойств методом имитационного моделирования с целью обеспечения устойчивого функционирования.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи.

1. Разработать математические модели локальной эколого-экономической системы и ее элементов методологию исследования на их основе.

2. Разработать структуру и алгоритмы системы оперативного управления ЛЭЭС как сложным объектом.

3. Провести анализ влияния на устойчивость линейной модели ЛЭЭС изменения параметра загрязнения в широком диапазоне.

4. Провести экспериментальные исследования предложенных алгоритмов с целью как анализа влияния на устойчивость неучтенных факторов и действия различных возмущений, так и оценки эффективности различных структур систем оперативного управления ЛЭЭС.

Методы исследования. При решении указанных задач использованы методы системного анализа, теории управления, теории моделирования сложных систем, теории графов. Научная новизна работы заключается:

• в разработке математической модели ЛЭЭС как динамического объекта управления (ДОУ), которая позволяет отразить динамику взаимодействия процессов различной физической природы: производства благ, загрязняющих веществ, их переноса в окружающую среду, нанесения ущерба здоровью населения й концепции исследований на их основе;

• в разработке структур систем оперативного управления ЛЭЭС, использующих информацию о состоянии окружающей природной среды, а также в разработке алгоритмов оперативного планирования и управления ЛЭЭС путем корректировки планового темпа производства благ и организации природоохранной деятельности (ПОД), позволяющей компенсировать ущерб, наносимый окружающей среде и населению;

• в решении задач анализа устойчивости функционирования ЛЭЭС различных структур (линейных и нелинейных) и значений параметров для различных ситуаций.

Практическая ценность работы состоит в разработке методики проведения системных исследований поведения предприятия в условиях взаимодействия с ДОС и населением, основанной на разработанных моделях и алгоритмах СОУ ЛЭЭС с целью обеспечения устойчивого функционирования и выдачи рекомендаций по принятию управленческих решений (алгоритмов управления) — в проведении анализа устойчивости функционирования системы с учетом малых параметровв проведении анализа эффективности функционирования экологически управляемой и неуправляемой ЛЭЭСв оценке эффективности организации ПОД на функционирование системы.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа связана с выполнением НИР, проводимых по заказу Института проблем прикладной экологии и природопользования при Министерстве чрезвычайных ситуаций и экологической безопасности РБ и на кафедре ТК УГАТУ в 19 951 998 г. г («Системный анализ и моделирование процессов управления природоохранной деятельностью в республике Башкортостан» — № ИФ-ТК-19−95-ОГ и «Региональная система управления природоохранной деятельностью» — № ИФ-ТК-07−97-ХГ). Результаты работы использовались в курсе «Общая теория систем» (для специальностей 220 200 АСОИУ и 210 100 УИТС), а также в курсовом и дипломном проектировании при разработке тем магистрских диссертаций.

Апробация работы. Основные научные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались:

• на Международной научно — технической конференции «Непрерывно — логические методы и модели в науке, технике и экономике» в г. Пензе в 1995 г.,.

• на Всероссийских конференциях «Проблемы экологического мониторинга» и «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы» в г. Уфе в 1995 г.,.

• на Международной конференции «Экологические аспекты устойчивого развития регионов» в г. Новгороде в 1995 г.,.

• на Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование физико-механических процессов» в г. Перми в 1996 г.,.

• на Международной научно-практической конференции «Математические методы и компьютеры в экономике» в г. Пензе в 1996 г.,.

• на Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование физико-механических процессов» в г. Перми в 1997 г.,.

• на Международной научно-практической конференции «Математические методы и компьютеры в экономике» в г. Пензе в 1997 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 190 страниц машинописного.

Выводы по главе 4.

1 .Разработана система имитационного моделирования, позволяющая проводить экспериментальные исследования поведения предприятия в условиях взаимодействия с окружающей природной средой и населением, в ней обитающем. Пользователю предоставляется возможность наблюдать за ходом изменения во времени основных параметров производства и рынка, изменять структуры СОУ ЛЭЭС, алгоритмы оперативного управления и их параметры, оценивать эффективность используемых алгоритмов и выбирать наиболее рациональные решения по управлению производством. Предложена методика проведения системных исследований с использованием разработанных моделей и алгоритмов управления. 2. Проведены экспериментальные исследования функционирования неуправляемой ЛЭЭС. Результаты экспериментов позволяют сделать следующие выводы. Применение комбинированной схемы оперативного управления выпуском продукции обеспечивает высокую точность и быстродействие выполнения планов по темпу и объему выпуска продукции. При исследовании влияния величины темпа произведенного загрязнения на качество ЛОС и здоровье населения показана целесообразность и предложены правила корректировки темпа выпуска продукции в условиях превышения произведенного темпа загрязнения над максимально допустимым уровнем. Показано, что эффективность функционирования ЛЭЭС без учета экологических факторов низка. Например, уровень здоровья населения становится ниже первоначального уровня, а темп получаемой прибыли уменьшается вследствие штрафов, накладываемых на производство.

3. Проведены экспериментальные исследования функционирования управляемой ЛЭЭС для оценки эффективности алгоритмов оперативного управления. В ходе экспериментов над полной моделью СОУ ЛЭЭС уточнены алгоритмы, синтезированные для упрощенной модели ЛЭЭС. Показана принципиальная возможность целенаправленного воздействия на систему для перевода ее в желаемое состояние.

4. Исследована эффективность алгоритмов оперативного управления ЛЭЭС путем корректировки темпа выпуска продукции при построении разомкнутых и замкнутых структур СОУ ЛЭЭС с использованием информации о возможном превышении производства загрязняющих веществ над максимально допустимым уровнем. Установлено, что применение предложенных алгоритмов позволяет при превышении темпа произведенного загрязнения над ПДК уменьшить значение либо максимального либо установившегося темпа производимого загрязнения. Например, при корректировке планового темпа производства благ путем учета скорости изменения темпа загрязнения, максимальное значение темпа соответствует устоявшемуся.

5. Исследована эффективность алгоритмов оперативного управления ЛЭЭС путем организации природоохранной деятельности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе в результате проведенных исследований показана еобходимость управления процессом производства с учетом состояния кружающей природной среды и состояния здоровья населения, то есть. елесообразность объединения этих компонентов в единую эколого-кономическую систему. Показано, что ЭЭС относится к классу сложных. инамических систем. Анализ существующих моделей ЭЭС и методов сследования динамики функционирования производства во заимодействии его с локальной окружающей средой показал, что область сследования динамики взаимосвязанного и взаимообусловленного >ункционирования производственной и природной подсистем является ктуальной, с одной стороны малоизученной, с другой стороны, ривлекает к себе все большее внимание исследователей. На основе этого нализа также показано, что разработка математической модели ЭЭС, олжна проводиться в классе динамических непрерывных моделей, а Есследование — методом имитационного моделирования.

1. Разработаны методологические основы исследования данного ласса систем, в которых объекты различной физической природы 'бъединены в единую систему. Предложенная концепция основана на [роведении научных исследований сначала с использованием упрощенных юделей, а затем с использованием полных моделей ЛЭЭС, учитывающих: ак малые параметры, так и нелинейные характеристики элементов, а акже информацию о последствиях принятых мер по ПОД.

Разработана функциональная схема математической модели кологически неуправляемой ЛЭЭС, состоящая из взаимосвязанных локов: модели подсистемы оперативного управления выпуском [родукции, модели реализации продукции и получения прибыли, модели [анесения ущерба окружающей среде и модели действия загрязнения на доровье населения. Описание процессов функционирования ЛЭЭС в емпах изменения переменных, представление основных переменных юдели в виде алгебраической суммы статической и динамической оставляющих позволило отразить динамические особенности >ункционирования ЛЭЭС.

В математической модели подсистемы оперативного управления ъшуском продукции, построенной по комбинированной схеме управления читывается также процесс производства загрязнений. Разработана ттематическая модель реализации продукции и определения темпа [рибыли, а также штрафования предприятия в случае нарушения уществующего экологического законодательства. Данная модель лишь [риближенно отражает процессы реализации продукции, однако пригодна [ля определения темпов прибыли при условии постоянства спроса и: арактера деятельности на рынке конкурентов. Разработана 1атематическая модель локальной окружающей среды и состояния доровья населения, описывающая процессы переноса произведенного агрязнения и нанесения ущерба ЛОС и здоровью населения. Тредложенная математическая модель неуправляемой ЛЭЭС позволяет >тразить особенности и динамику функционирования предприятия с 'четом состояния локальной окружающей среды и состоянием здоровья тселения. Модель используется для формирования алгоритмов системы >перативного управления ЛЭЭС.

Разработано описание ЛЭЭС как динамического объекта управления ! виде векторов управляющих и регулируемых переменных.

2. Разработана структура и функциональная схема системы шеративного управления ЛЭЭС, регулирующая функции по сорректировке темпа выпуска продукции, улучшению технологии, а также юсстановлению качества состояния ЛОС и состояния здоровья населения, 'азработаны алгоритмы управления ЛЭЭС, позволяющие корректировать 'емп выпуска продукции в случае превышения темпа производства агрязнения над предельно допустимой величиной, а также формировать и «еализовывать с использованием получаемой прибыли мероприятия по 1недрению новых технологий и по восстановлению качества окружающейреды и состояния здоровья населения. Разработаны математические юдели мероприятий по ПОД, позволяющие реализовать перечисленные 1ыше алгоритмы.

3. На основе классических методов теории управления проведен. нализ влияния на устойчивость линейной управляемой ЛЭЭС параметра агрязнения окружающей среды, варьируемого в заданном диапазоне иыявлены условия устойчивости этой системы в широком диапазоне вменения параметра загрязнения. Проведен анализ устойчивости эункционирования линейной модели локальных экологических юмплексов как трехсвязной системы на основе методов теории функции: омплексного переменного. Получено условие устойчивости системы для >азличных значений параметров.

4. Проведены экспериментальные исследования поведения [роизводственной подсистемы в различных условиях взаимодействия с гчетом состояния локальной окружающей среды и состояния здоровья [аселения. Предложена методика проведения системных исследований с [спользованием разработанных моделей и алгоритмов управления.

Проведены экспериментальные исследования функционирования кологически неуправляемой ЛЭЭС. Исследовано влияние величины темпа [роизведенного загрязнения на качество ЛОС и состояние здоровья [аселения. Выявлены правила корректировки темпа выпуска продукции в словиях превышения произведенного темпа загрязнения над максимально. опустимым уровнем. Показана неэффективность функционирования 1ЭЭС без учета экологических факторов, действие которых вызывает (агубное влияние на состояние здоровья населения.

Проведены экспериментальные исследования функционирования правляемой ЛЭЭС для оценки эффективности алгоритмов оперативного правления. В ходе экспериментов над полной нелинейной моделью СОУ [ЭЭС уточнены алгоритмы, синтезированные для упрощенной модели [ЭЭС. Показана принципиальная возможность целенаправленного оздействия на систему для перевода ее в желаемое состояние.

Исследована эффективность алгоритмов оперативного управления [ЭЭС путем корректировки темпа выпуска продукции при построении азомкнутых и замкнутых структур системы оперативного управления [ЭЭС с использованием информации о возможном превышении роизводства загрязняющих веществ над максимально допустимым ровнем. Установлено, что предложенные алгоритмы позволяют при ревышении темпа произведенного загрязнения над максимально. опустимым уровнем уменьшить значение максимального темпа роизводимых благ без потери устойчивости.

Исследована эффективность алгоритмов оперативного управления 1ЭЭС путем организации природоохранной деятельности. Установлено, то применение алгоритмов улучшения технологий, восстановления ачества ЛОС и здоровья населения позволяют во-первых, в: еблагоприятных условиях полностью компенсировать падение темпа олучения прибыли, (увеличить темп получения прибыли на 20%), и/во-торых, компенсировать почти полностью ущерб, нанесенный ЛОС и доровью населения, по сравнению с неуправляемой ЛЭЭС.