Оптимизация использования прогнозов скорости ветра для строительных организаций Северо-Западного региона Европейской территории России

Использование гидрометеорологических информационных ресурсов в современных условиях жизнедеятельности является одним из важнейших факторов рациональной организации, эффективного планирования и функционирования экономике страны. Поступающая к потребителям и реализуемая ими в деле гидрометеорологическая продукция позволяет получить значительную экономическую выгоду. Особое место в производственной сфере отводится метеорологическим прогнозам. Экономическая целесообразность их разработки подтверждается огромной выгодой, получаемой экономикой страны.

Впервые в России М. А. Омшанский / 47, 48, 49 / раскрыл экономическое содержание метеорологических прогнозов. Прошло более полувека до современного понимания значимости краткосрочных метеорологических прогнозов, содержащейся в выгоде их оптимальной реализации.

В 1965 г. по инициативе академика Е. К. Федорова / 59, 60 / впервые была предпринята попытка количественной оценки экономического эффекта использования метеорологических прогнозов в масштабах гидрометеорологической службы страны. Результатом этой, поистине титанической научно — производственной работы, явилось проведение ряда Всесоюзных научных конференций (Киев — 1971 г., Алма-Ата — 1974 г., Москва -1984 г.) и издание ряда сборников работ/ 23, 73, 78, 80, 45 /, научная ценность которых еще далеко не использована.

Метеорологические прогнозы есть конечный информационный продукт сложной цепи постоянных преобразований исходной метеорологической информации с использованием современной техники и оперативной синоптической технологии. Успешная реализация прогнозов в производственных условиях зависит как от потребителя, принимающего хозяйственные решения с учетом прогнозов, так и от прогнозиста, а, в конечном счете, от их постоянного взаимодействия. Эффективное применение прогнозов погоды в народном хозяйстве является целевой задачей службы прогнозов и обусловлено спецификой хозяйственной деятельности потребителей.

Казалось бы, очевидным, то обстоятельство, что кратчайший путь к увеличению экономической отдачи метеорологических прогнозов лежит через улучшения их качества — рост успешности. Однако в ряде исследований / 13, 14, 51, 63, 65 / установлено, что в последние 20 лет успешность краткосрочных метеорологических прогнозов в определенной мере «стабилизировалась «. В перспективе, конечно, допускается прирост успеха прогнозирования погоды. Но все же, главным условием повышения эффективности метеорологических прогнозов остается совершенствование технологии их реализации и научнообоснованный учет получаемой выгоды. В 1972 г. академик В. А. Бугаев /12, 13, 14 / специально подчеркивал, что внимание науки должно быть привлечено не только к тому, как правильно составлять, но и как правильно «применять их в деле «. Потребитель, хорошо знающий специфику производства (в сельском хозяйстве, в энергетике, на транспорте и т. п.), ограничен в знании возможного поведения гидрометеорологической среды. Содержание текста прогноза всегда беднее профессионального знания синоптика о будущей погоде. Это, посуществу, важнейший фактор, определяющий пользу постоянного научно-производственного общения потребителя и поставщика информации, что позволяет разрабатывать новые я научно-производственной технологии использования прогнозов и принимать эффективные оперативно-производственные решения.

Прогнозы погоды приобретают все более строгую конкретно-производственную направленность, вышли на уровень обязательной научно-производственной информации, обеспечивающей хозяйственную деятельность. Количественной оценкой результативности прогнозов погоды в хозяйственной практике является их экономическая полезность. Основным показателем ее рассматривается экономический эффект. Экономический эффект является такой мерой ценности прогноза погоды, которая наиболее полно отражает их способность удовлетворять производственные запросы потребителей. Это конечный результат реализации прогнозов погоды в производственной сфере, в сущности, — их материализация, овеществленная в натуральной или денежной форме. Экономический эффект, содержит обратную информацию — на сколько прогнозы были действительно полезны. Однако, выгода реализации прогнозов раскрывается только при постоянном научно-производственном взаимодействии поставщика и потребителя и взаимном удовлетворении их интересов, особенно в условиях рыночной экономики.

Многие аспекты оценки полезности метеорологических прогнозов продолжаются обсуждаться в отечественной, и в зарубежной литературе. Однако приходится констатировать факт заметного разнообразия подходов в оценки экономической полезности прогнозов погоды. Пожалуй, эта задача более строго изложена в одной из работ Дож. Томпсона / 56 /. В последующем он же провел анализ простейшей метеоролого-экономической модели, содержащей результаты анкетных опросов, показал / 86 /, что в целом в экономике США можно предотвратить потери по метеорологическим причинам на сумму около 5. 3 млрд. долларов. Было установлено, что ежегодная потенциальная экономия определяется, главным образом, двумя факторами: повышением успешности прогнозов и совершенствованием системы их оперативного использования.

В ряде других зарубежных исследованиях, в частности, в работах А. Кросли / 76 /, И. Грингортена / 79, 22 /, Е. Епстина /78 /, Дж. Д. Маккуинга / 35 /, А. Мерфи / 81 /, Дж. Руссо / 83 / как и других, постоянно подчеркивается, что только научно-обоснованная реализация прогнозов может обеспечить их высокую хозяйственную полезность. Отмечается, при этом, и другая сторона проблемы. Недооценка потребителями прогнозов погоды, а значит и недоиспользование их кроется в том, что службы прогнозов концентрировали свое внимание на разработке / 14 / прогнозов и не занимались вопросами их рационального хозяйственного использования.

В нашей стране эта проблема — использование метеорологических прогнозов в управлении производством — впервые поставленная в 30-е годы М. А. Омшанским / 47, 48, 49 /, получила развитие благодаря ряду исследований, выполненных в 60 — 80-е годы. Это, прежде всего, работы А. С. Монина / 41 /, А. М. Обухова / 46 /, Н. А. Багрова / 5, 7 /, Г. В. Груза и Э. Я. Раньковой / 27 /, Е. Е. Жуковского /30, 31 / и других. В них освещается широкий круг вопросов, связанных с оценкой качества прогнозов (точности, надежности), с поиском путей реализации прогнозов в конкретных условиях производства, и реализации возможных метеоролого-экономических моделей, содержащих те или иные функции полезности хозяйственного поведения потребителей с учетом ожидаемой погоды. В особую проблему выделено решение ряда задач, таких как: оптимизация прогностической информации, оценка ее экономической полезности, моделирование адаптивности системы прогноз — потребитель, разработка эффективного регламента поведения потребителя и других / 52, 53, 69, 70,71,31,9/.

В решении проблемы оптимизации прогнозов и оценки их экономической полезности ясно обнаруживается главное целевое условие, а именно, необходимо чтобы поставщик прогнозов совместно с потребителем принимал участие в доведении прогнозов до конечной цели. На это обращал внимание В. А. Бугаев, квалиметрируя прогнозы «в деле «/ 14 /. В работе /31 / Е. Жуковский конкретизирует это следующим образом: «. накопленный опыт показал, что без специальных исследований решить эти вопросы потребители сами не могут и здесь нужны совместные усилия производственников, экономистов и метеорологов «. Конечно, высказываемые положения не следует рассматривать как вмешательство прогнозиста в управление производством. Принимать окончательное решение о производственных действиях, как замечает Г. В. Груза и Э. Я. Ранькова «полностью входят в компетенцию потребителя «/ 27 /. Справедливость этого тезиса очевидна, но не бесспорна, если учесть возможность корректировки прогнозов в течение суток (уточнения, предупреждения, консультации). Как видим справедливо и иное утверждение, относительно требования обязательного научно-производственного взаимодействия поставщика и потребителя как в условиях оперативно-качественного выбора решений, так и при использовании автоматизированных систем управления.

Подтверждением неразрывности системы «прогноз — потребитель «, выражаемой обменом информации и совместными действиями по реализации прогнозов, служат обсуждения этой части проблемы на Международной конференции в Женеве (1990 г., 1994 г.) / 78, 80 /.

Возрастающее значение метеорологических прогнозов и актуальность выполненного исследования объясняются следующими предпосылкамифакторами.

1. Отмечается постоянный рост чувствительности общества к опасным и стихийным гидрометеорологическим явлениям в связи с их возрастающей интенсивностью и растущими масштабами экономики. Во всех странах в результате стихийных бедствий растут потери по метеорологическим причинам. За период с 1960 г. по 1990 г. они увеличились в 40 раз / 75 /. В США по оценке Мюнхенского Агентства потери перестрахования возросли к 1995 г. с 43 до 180 млрд. долларов. В течение последних 25 лет погибло свыше 3 млн. человек, причем 90% этих жертв проживали в развивающихся странах / 8, 92 /.

2. Значительный рост экономического ущерба ведет к осознанию более масштабного и научно-обоснованного учета метеорологических прогнозов в целях снижения потерь и тем самым увеличения выгоды их реализации. Этот тезис обстоятельно раскрывается в ряде исследований отечественных и зарубежных авторов 11, 16, 18 /. Например, по оценкам Дж. Томпсона / 91 / около 40% потерь (5.3 млрд долл.) могут быть предотвращены из ежегодных убытков по метеоусловиям, составляющих в среднем около 12.7 млрд. долларов. Исследования А. И. Бедрицкого /8, 10 / показывают, что возможно получить экономический эффект от использования прогнозов в различных отраслях экономики, примерно от 3 до 59 млн. долларов.

3. Выход успешности краткосрочных метеорологических прогнозов на уровень «стабилизации «требует основательного пересмотра самой технологии использования прогнозов. Необходима замена формально-интуитивного подхода на научно-обоснованный — регламентную оптимизацию прогнозов. Которая, позволит обеспечить минимум потерь или максимум выигрыша в конкретной области производства.

4. Формирование в экономике страны хозяйственного, рыночного механизма побуждает не только к расширению границ самостоятельности поставщика и потребителя гидрометеорологической продукции, но, и главное, к поиску эффективного снижения любых потерь включая метеорологические, что расширяет и углубляет область маркетинговых исследований на метеорологическом рынке.

Целью работы является разработка комплексного метода оценки успешности и экономической полезности краткосрочных метеорологических прогнозов скорости ветра применительно к функционированию строительных организаций в северо-западном регионе Европейской территории России.

При разработке метода оценки информационной и производственной полезности прогнозов скорости ветра применительно к данному потребителю были поставлены следующие задачи:

1. Исследование локальной успешности скорости ветра на основании матричного подхода при различных сценариях ошибочности прогнозов.

2. Разработка комплексной модели альтернативной оценки полезности прогнозов на базе критериальной оценке, анализа номограммы потерь и полезности прогнозов в среднем.

3. Оценка показателей экономической полезности прогнозов (экономического эффекта, экономической эффективности, адаптивности) при меняющейся ошибочности прогнозов.

4. Конструирование комплексной модели выбора оптимальной стратегии.

5. Уточнение байесовских средних потерь при частичных мерах защиты и их анализ с учетом выгоды реализации успешных прогнозов наличия явления.

6. Моделирование экономической выгоды реализации прогнозов в условиях меняющейся технологической адаптации потребителя к ожидаемой погоде.

7. Разработка оптимального погодно-хозяйственного регламента потребителя в рамках задачи эффективной реализации прогнозов скорости ветра.

Метод исследования.

Использовались непараметрические подходы математической статистики, применительно к метеоролого-экономическим оценкам результативности использования прогнозов строительными организациями северо-западного региона России. Применялся достаточно обширный комплекс известных статистических показателей сопряженности прогнозов скорости ветра при ее различной дискретности. В работе широко использовался байесовский подход оценки средних (в статистическом смысле) потерь как базовая функция цели в процессе оптимизации прогнозов и оценки их итоговой полезности.

Научная новизна.

В рамках данной работы впервые: модифицирована и апробирована в конкретных региональных условиях матричная система оценки успешности альтернативных и многофазовых прогнозов скорости ветра (введены показатели риска ошибок, как мер успешностиисследованы реальные сценарии ошибочности прогнозов в системе «погода — прогноз «);

— модель оценки экономической полезности прогнозов дополнена, уточнена и апробирована к описанию выгоды реализации прогнозов в конкретных условиях производства (строительство) — выполнена аппроксимация выгоды использования прогнозов как функция уровня технологии защиты и успешности осуществления прогнозов наличия опасной скорости ветра;

— разработана адаптивная модель поиска оптимального погодно—хозяйственного регламента в дискретной области решений за рамками простой альтернативы.

Практическая значимость работы заключается: в возможности перехода от субъективной (по Наставлению) к объективной (матричной) системе оценки успешности прогнозов в оперативной практике прогностических подразделений Росгидромета, в целях совершенствования методов прогнозирования метеорологических величин и явлений погодыв использовании комплексного метода оценки экономической полезности прогнозов скорости ветра и других условий погоды, как в строительстве, так и в иных отраслях экономики, в практике становления, развития и обеспечения коммерческих интересов поставщика и потребителяв разработке оптимального для потребителя регламента принятия погодно-хозяйственных решений, обеспечивающего максимум выгоды использования метеорологических прогнозовв использовании основных положений выполненного исследования в педагогической работе вузов при подготовке специалистов метеорологов, а так же специалистов в области менеджмента и маркетинга.

На защиту выносятся.

— Модифицированная модель оценки успешности с учетом сценариев поведения системы «погода — прогноз «(дополнительные показатели успешности, локальная оценка успешности прогнозов скорости ветра).

— Комплексная модель оценки экономической полезности прогнозов, адаптированная к конкретному потребителю с учетом его технологического и информационного обеспечения.

— Аппроксимационная модель адаптации потребителя к ожидаемым условиям погоды.

— Разработка модели поиска оптимального погодно-хозяйственного регламента с дискретностью, превышающей простую альтернативу.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на кафедре прикладной метеорологии РГТМУ и итоговых сессиях Ученого Совета РГТМУ (1996 г., 1997 г., 1998 г., 1999 г.). Результаты исследования апробированы в оперативной практике северо-западного УГКС и включены в учебный процесс кафедры прикладной метеорологии РГГМУ.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического указателя литературы включающего 92 наименований, в том числе 14 на иностранных языках и приложения. Объем работы 142 стр., в том числе 121 стр. текста, 28 таблиц, 29 рисунков и 13 стр. приложения (14 таблиц).

Выводы.

1. Установлено, что успешность методических прогнозов растет по мере увеличения их дискретности. Согласно, такого критерия успешности, как производственная эффективность качество многофазовых прогнозов увеличивается до 3%.

2. Предложена модель построения многофазовой матрицы потерь и процедура свертывания прогностической информации для построения матриц потерь более низкого порядка.

3. Оценка средних потерь и экономического эффекта использования прогнозов различной дискретности показывает, что с возрастанием ее средние потери быстро убывают до 50% и более. А экономический эффект существенно растет, особенно при оптимальном использовании прогнозов.

4. Сложившийся в хозяйственной практике регламент решений состоящий из простой альтернативы должен быть категорически заменен более эффективным. Регламент, содержащий более двух решений, позволяет получить за счет прогнозов большую выгоду. Строительным организациям, которые используют прогнозы скорости ветра целесообразно рекомендовать регламент, состоящий из трех или четырех погодно-хозяйственных решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненное научное исследование (диссертационная работа) выявило ряд научных положений, которые могут быть реализованы в практике уже в настоящее время.

— Проведено исследование локальной успешности прогнозов скорости ветра на основании матричного подхода при различных сценариях ошибочности прогнозов.

— Разработана комплексная модель альтернативной оценки полезности прогнозов на базе критериальной оценки, проведен анализ номограммы потерь и полезности прогнозов в среднем.

— Оценены показатели экономической полезности прогнозов при меняющейся ошибочности. Выявлен характеристический потребитель для которого С/Ь = 0.323. Уточнены байесовские средние потери при частичных мерах защиты.

— Разработан оптимальный погодо-хозяйственный регламент потребителя в рамках задачи эффективной реализации прогнозов скорости ветра.

Проблемы, поднятые в данной работе, представляют особый интерес для экономики страны. Не смотря на известные сегодня исследования в данной области, в дальнейшем необходима проработка ряда задач, связанных с более полным учетом метеорологической информации и экономических возможностей потребителя.

Результаты проведенного исследования позволяют разработать комплексный алгоритм использования прогнозов в автоматизированной системе управления на уровне крупных хозяйственных объектов. Тем самым представляется возможность оперативной разработки выбора погодо-хозяйственных решений, стратегии и оценки их экономической полезности.