Системное моделирование и управление изменением состояния окружающей среды при разработке стратегии устойчивого развития на региональном уровне

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 504.064.2.001.18

СИСТЕМНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЕМ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СТРАТЕГИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ НА РЕГИОНАЛЬНОМ УРОВНЕ

С.З. Полищук, А.И. Рябко Інститут проблем природокористування та екології НАН України, Дніпропетровськ

Аннотация

Статья посвящена формированию методологии системного моделирования процессов в социо-эколого-экономических системах и применению ее к цели управления процессом перехода к устойчивому развитию систем регионального уровня. Описывается вариант математической модели созданной с помощью приведенной методологии.

Стаття присвячена формуванню методології системного моделювання процесів у соціо-эколого-економічних системах і застосуванню її до мети управління процесом переходу до сталого розвитку систем регіонального рівня. Описується варіант математичної моделі створеної за допомогою наведеної методології.

Article devoted to forming of methodology of system processes modeling in social-ecological-economic systems and to application of her to management aim by process of transition to sustanable systems development of regional level. Describes a variant of mathematical model based on formed methodology.

Принятая представителями мирового сообщества на форумах в Рио-де-Жанейро (1992) и Йоханнесбурге (2003) стратегия устойчивого развития социально-эколого-экономических процессов глобального и регионального уровня предусматривает решение ряда проблем. Это, в частности, уход от моделей неустойчивого развития, создание управляемых сценариев перехода к устойчивому развитию социо-эколого-экономических систем с приемлемыми показателями качества основных составляющих этих систем. Практически это означает построение моделей управления развитием социо-эколого-экономических систем, выбора приоритетов развития на основе системно-аналитических подходов, связывающих в единое целое качественные и количественные характеристики системы.

Построенные модели могут быть применены в системах административно - хозяйственного управления и принятия решений структур различных форм подчинения и собственности, в системах экологического мониторинга различного уровня. Системное моделирование предусматривает и означает как системный подход к моделированию самих объектов исследования, так и системность в самом процессе моделирования.

Среди мероприятий, обеспечивающих переход к устойчивому развитию, следует выделить выработку стратегии устойчивого функционирования региональной системы и выработку соответствующих экономических и социальных воздействий. В связи с вышеуказанными задачами возникают проблемы научного представления условий и процессов устойчивого развития сложных территориальных систем.

Прогнозирование изменений техногенной нагрузки на окружающую природную среду в процессе переструктуризации региональной хозяйственной системы, является одним из компонентов при выработке стратегии и условий перехода социо-природно-экономической системы региона к устойчивому сбалансированному развитию.

Решение задачи выбора стратегии устойчивого развития должно включать исследования в следующих направлениях:

- разработка кибернетических моделей верхнего и среднего уровней с различным уровнем детализации и комплексности;

- разработка моделей физических процессов нижнего уровня для моделирования процессов в реальном времени с использованием датчиков и следящих систем;

- разработка оптимизационных моделей в различных постановках с учетом разнообразных факторов и критериев развития с различным уровнем детализации и комплексности;

- проведение анализа различных программно-аппаратных средств (включая серверные системы, операционные системы, программные пакеты различных областей приложения) с точки зрения создания эффективных быстродействующих алгоритмов с низкой машинной ресурсной емкостью.

Выбор приоритетов и стратегии устойчивого развития социо-природно-экономической системы региона является сложной междисциплинарной задачей. Наиболее адекватной методологией решения подобных задач является системный подход и системный анализ больших систем с разнородными блоками. Одной из центральных процедур при реализации данной методологии достижения целей является построение модели исследуемого объекта, а в сложных случаях системы взаимодействующих моделей. В рамках методологии системного анализа основным и наиболее эффективно зарекомендовавшим себя является методология имитационного моделирования региональных социо-эколого-экономических систем различного уровня детализации.

Построение математических моделей и компьютерных моделирующих комплексов на основе информационно-математических моделей производится с целью создания инструмента для принятия решений в системах определения нормативных показателей качества жизни и окружающей природной среды с целью взаимного сочетания всех видов деятельности на территории целям достижения этих показателей. Использование имитационных сценариев развития социо-эколого-экономической системы региона позволяет дать прогноз возможных изменений качественного состояния окружающей среды, обусловленной структурной перестройкой хозяйственного комплекса региона, для окончательного определения региональных приоритетов устойчивого развития.

Анализ литературных источников [1-8] и опыта проведенных исследований показывает, что несмотря на обилие моделей различного уровня детализации до сих пор не существует комплексной математической модели оптимального управления показателями качества природной, экономической и социальной сфер.

Таким образом, целью данной статьи является формирование методологии системного моделирования процессов в социо-эколого-экономических системах и применение ее к цели управления процессом перехода к устойчивому развитию.

Создание прогнозных комплексных социо-эколого-экономических моделей необходимо при разработке, внедрении и эксплуатации системы регионального комплексного экологического мониторинга окружающей природной среды. Это позволит исследовать реальные изменения качественного состояния окружающей среды для корректирования управленческих решений относительно обеспечения перехода региона к устойчивому развитию с использованием наземного и космического мониторинга источников антропогенного влияния на окружающую среду, мониторинга загрязнения абиотической и биотической компоненты окружающей среды, социально-гигиенического мониторинга. Выработка оптимальных управленческих влияний, которые будут направлены на улучшение состояния окружающей среды с использованием построенных моделей позволит осуществлять оперативный контроль за состоянием cреды и прогнозирование ее изменений, оценку возможного экологического риска. Предлагаемый путь решения задачи перехода к устойчивому развитию предполагает этапность, многоуровневость, иерархичность, комплексность, оптимизацию при построении и реализации модели. В соответствии с вышеперечисленными характеристиками выделяются модели различных уровней и типов.

Модели верхнего уровня являются начальным этапом в достижении поставленных целей [3, 5]. Они являются слабопараметризованными (число параметров не более 10), соответственно низко детализированными, с невысокой степенью комплексности и простой иерархией (не более 2-х уровней). В случае моделирования социо-эколого-экономических систем такими параметрами целесообразно выбрать показатели качества природной, экономической и социальной сфер. Данные модели создаются без учета усложненных и уточненных моделей базовых физических процессов распространения загрязнений в окружающей природной среде, низкоуровневого агрегирования показателей в экономическом и социальном блоках.

Модели среднего уровня [6] с числом параметров в десятки единиц являются следующим этапом приближения к определению стратегии устойчивого развития с соответствующим расширением основных характеристик. При этом возможно построение новых зависимостей процессов различного уровня, что и будет характеризовать переход к следующему уровню.

Принятие решений для выработки управляющих воздействий возможно с привлечением небольших экспертных групп и, в том числе, отдельными лицами принимающими решения с применением агрегирования некоторых групп показателей. Реализация моделей среднего уровня, сучетом возможностей современной компьютерной техники и тенденций ее развития не требует мощной вычислительной базы. Достаточным будет наличие простых двух-трех процессорных серверных систем. В качестве основных показателей для выбора стратегии устойчивого развития можно в дополнение к показателям моделей верхнего уровня принять также показатели выпуска продукции, регионального дохода, защищенности различных природных сред, показатели уровня жизни или другие комбинации параметров. Данный подход позволяет привлечь более усложненные модели базовых физических процессов.

Одной из целей создания детализированной математической модели является стремление к максимально возможной точности в оценке и прогнозе устойчивого развития, что обусловливает ее специфические черты и прежде всего большую ресурсоемкость [3,6,7].

Реализация задачи на третьем этапе осуществляется с помощью моделей с большой степенью детализации (число параметров более 100). Одной из целей создания детализированной математической модели является стремление к максимально возможной точности в оценке и прогнозе устойчивого развития, что обусловливает ее специфические черты и прежде всего большую ресурсоемкость. Компьютерная реализация этих моделей потребует мощных вычислительных многопроцессорных серверных комплексов, в предельном случае реального режима времени для физических параметров моделей. Для получения исходного набора данных в сильнопараметризованных моделях, а также анализа полученной информации может потребоваться привлечение системы комплексного социо-природно-техногенного мониторинга, создание специализированных и комплексных экспертных групп междисциплинарного характера. В качестве основных параметров, характеризующих приоритеты и стратегию устойчивого развития региона, выбираются показатели моделей предыдущих уровней с возможным добавлением базовых и близких к ним показателей. В их числе могут быть концентрации загрязняющих веществ в почвах, гидросфере, атмосфере, коэффициенты прямых затрат на производство продукции по отраслям, уровень заработной платы в отраслях региона и др.

Оценка природно-ресурсного потенциала и создание системы показателей социального развития региона будет неполна без использования оптимизационных прогнозных математических моделей различных уровней. Так как они позволят выработать стратегии поддержания или достижения различными показателями нормативных значений. Методология решения данной задачи должна прежде всего основываться на комплексном подходе, многоэтапности и иерархичности применяемых модельных технологий, которые смогут отразить весь комплекс процессов начиная с базовых физических и заканчивая формированием социо-экономических зависимостей.

В идеале информация о состоянии социо-природно-техногенной системы должна поставляться органам управления и лицам, принимающим решения широкоразветвленной системой социо-эколого-экономического мониторинга в режиме реального времени при условии высокой степени надежности передачи информации и отсутствии помех и искажений ведущих к недостоверности информации. Вся система в целом в данном виде будет представлять систему управления регионом.

Разработка программных моделирующих комплексов на основе следующей системы моделей определения показателей качества социо-природно-техногенной системы является завершающим этапом.

Комплексная социо-эколого-экономическая модель укрупненно может состоять из следующих блоков: «Индекс социального развития», «Качество окружающей среды», «Экономика».

Устойчивое развитие должно характеризоваться иерархической системой показателей [2]. На нижнем уровне этой системы находятся базовые показатели, характеризующие экономику, социальную и природную среды и определяющие два основных показателя верхнего уровня: качество жизни и качество природной среды. При формализации задачи развитие считается устойчивым, если значения этих показателей будут достигнуты и будут поддерживаться на определенном уровне, соответствующем нормативам, полученным с учетом международных требований к показателям устойчивого развития и особенностей развития рассматриваемой территории. Экономический блок может иметь несколько уровней иерархии и включать подсистемы на базовом уровне. Базовые подсистемы формируют две подсистемы второго уровня: “Математическая модель производства и распределения продукции” и “Математическая модель формирования и распределения доходов”. Они также содержат переменные, характеризующие сценарий развития территории.

При этом сценарий хозяйственного развития региона характеризуется следующими основными зависимостями: удельный вес расходов на развитие производства (мощностей), удельный вес расходов на развитие мощностей производства по восстановлению природных ресурсов, удельный вес расходов на социальное развитие, вектор коэффициентов отраслевой структуры капитальных вложений в развитие производства, вектор коэффициентов структуры капитальных вложений в развитие мощностей восстановления природных ресурсов.

Меняя эти функции, можно изменять как хозяйственные, так и экологические и социальные показатели развития региона, а также развитие отраслей производства и восстановления природных ресурсов.

Основными показателями хозяйственной деятельности являются объемы выпуска продукции. Технологии производства продукции определяют выбросы и сбросы в окружающую среду и тем самым воздействие на природную среду. С другой стороны, производственная продукция образует блага жизни и тем самым влияет на социальное развитие.

В социальном блоке можно выделить три основных уровня иерархии: первый уровень характеризует показатель качества жизни, второй - четыре показателя (подблока): показатель жизненного уровня населения; показатель обеспеченности человеческими ресурсами; показатель обеспеченности интеллектуальными ресурсами и показатель защищенности жизнедеятельности населения; третий - базовые показатели.

Базовые показатели функционально связаны с характеристиками экономического блока и отражают отклик социальной среды на хозяйственную деятельность. Для установления связей между третьим уровнем и вторым, вторым и первым используются функциональные зависимости с использованием данных экспертных оценок. Блок «Качество окружающей среды» может иметь четыре уровня иерархии.

Качество окружающей среды может определяется на основании следующих показателей [3]:

качество атмосферного воздуха ,

качество почв,

качество поверхностных вод ,

качество биоты.

Входные данные для блока “Качество окружающей среды” должны предоставляться региональными экономическими и статистическими управлениями, региональными представительствами министерства экологии и ядерной безопасности, органами санитарно-эпидемиологической службы, экспертными группами состоящими из специалистов в областях экономики, социальной политике, медицине, биологии, экологической безопасности, Институтом стратегических исследований, группами информационного поиска, использующими материалы отечественных и зарубежных научных исследований и симпозиумов по вопросам устойчивого развитии регионов мира, а также глобальной компьютерной сети Internet.

Выходные данные для блока “Качество окружающей среды позволяют представить показатели, характеризующие качество окружающей среды региона и его компонентов.

В качестве управляющих параметров, кроме определяющих в экономическом блоке сценарий развития, могут быть приняты долевые зависимости отчислений на образование от суммы налогов с предприятий, коэффициент отчислений на образование от объема местного бюджета в районе, коэффициент (удельный вес) распределения объема местного бюджета в районе на социальное развитие в регионе, коэффициент отчислений на науку, коэффициент отчислений на науку от объема местного бюджета в районе, коэффициент отчислений на культуру от суммы налогов с предприятий, коэффициент отчислений на культуру от суммы местного регионального бюджета. С использованием разработанной математической модели можно рассматривать ряд оптимизационных задач, таких как:

- минимизировать время перехода к устойчивому развитию, при достижении заданных значений показателей качества жизни и качества природной среды;

- при заданном времени перехода и заданном качестве природной среды максимизировать качество жизни;

- при заданном времени перехода и заданном качестве жизни максимизировать качество природной среды.

Необходимость создания оптимизационных систем моделей обусловлено тем, что достижение нормативных показателей устойчивого развития будет получено с помощью выработанных в процессе решения оптимизационных задач стратегий.

Графическое представление полученных стратегий развития в виде графиков наглядно предоставит возможность выработать решение и определить уровень и направление управляющих воздействий для достижения системой нормативных показателей, соответствующих мировым стандартам.

Ниже приведены построенные математические зависимости модели (детальное описание параметров модели в [1,3,7,8]).

Экономика

Kp(t,s,j)=alf(t,s,j)* kkp(t)* (1-nt(t))* nr(s,j)*

+NBpR(t) + kdp(s,j)* (1- nr(s,j))* +NBp(t,s,j)

системный моделирование математический методология

Kr(t,s,k)= bet(t,s,k)* kkr(t)* (1-nt(t))* nr(s,j)* +NBrR(t)+ kdr(s,j,k)* (1- nr(s,j))* +NBr(t,s,k)

kdp(s,j)+kdr(s,j,k)+kdv(s,j)+kds(s,j)+kdx(s,j)=1

kkp(t)+kkr(t)+kks(t)+kkx(t)=1

alf(s,j)=1

bet(s,k)=1

Загрязнения

M_atm(s,i,t)=

M_v (s,i,t)=

Индекс экономического развития региона

Качество окружающей среды. Качество атмосферного воздуха. Показатель защищенности атмосферы

K_saf[ir,iy]=kw_ec_em[ir,iy]*K_ec_em[ir,iy]+

kw_rast[ir,iy]*K_rast[ir,iy]+

kw_vym[ir,iy]*K_vym[ir,iy]+

kw_gs[ir,iy]*K_gs[ir,iy]+

kw_pinv[ir,iy]*K_pinv[ir,iy]+

kw_pvm4[ir,iy]*K_pvm4[ir,iy]+

kw_pvl1[ir,iy]*K_pvl1[ir,iy]+

kw_pnas[ir,iy]*K_pnas[ir,iy]+

kw_ufr[ir,iy]*K_ufr[ir,iy]+

kw_groz[ir,iy]*K_groz[ir,iy]+

kw_obms[ir,iy]*K_obms[ir,iy]

kw_ec_em[ir,iy] + kw_rast[ir,iy]+kw_vym[ir,iy]+kw_gs[ir,iy]+kw_pinv[ir,iy]+

kw_pvm4[ir,iy]+kw_pvl1[ir,iy]+ kw_pnas[ir,iy]+ kw_ufr[ir,iy]+kw_groz[ir,iy]+

kw_obms[ir,iy]=1

0 < K_saf[ir,iy] < 1

Влияние химического загрязнения атмосферы

K_him[ir,iy]=gam_atm[1]*K_t[ir,iy]+gam_atm[2]*K_g[ir,iy]

0 < K_him[ir,iy]< 1

Показатель физического загрязнения атмосферы

K_fiz_atm[ir,iy]= bet_fiz[ir,igf]*Ki_fiz[ir,igf]

0 < K_fiz_atm[ir,iy]< 1

Показатель качества атмосферного воздуха

K_atm_reg[iy]= kw_ray_a[ir,iy]* K_atm[ir,iy]

kw_ray_a[ir,iy ]=1

0 < K_atm_reg[iy]< 1

Поверхностные водотоки

K_v[ir,iy]=alfv[ir,iy,izv]* Ki_v[ir,iy,izv]

alfv[ir,iy,izv]=1

0 < Ki_v[ir,iy,izv]< 1

0 < K_v[ir,iy,izv]< 1

K_vod_reg[iy] = kw_ray_v[ir,iy]* K_vod[ir,iy]

kw_ray_v[ir,iy]=1

0 < K_vod_reg[iy] < 1

Качество почв

K_poch_reg[iy] = kw_poch[ir,iy]* K_poch[ir,iy]

kw_poch[ir,iy]=1. 0 < K_poch[iy] < 1

Качество биоты региона.

K_bio_reg[iy] = kw_bio_ray[ir,iy]*K_bio_ray[ir,iy]

0 <= K_bio_reg [iy]<=1

Качество окружающей среды региона

K_OS[iy]= kw_ray[ir,iy]*(K_atm_reg[iy]+ K_vod_reg[iy]+ K_poch_reg[iy]+K_bio_reg[iy])

0 <= K_OS_reg[iy]<=1

Качество социальной среды региона(индекс социального развития)

+ ++ ,

0 <= <=1

Критерий качества системы

K_OS++

где K_OS - показатель качества окружающей природной среды;

- показатель качества экономической сферы;

- индекс социального развития.

На начальном этапе исследований были проведены эксперименты с использованием оптимизационной подмодели верхнего уровня приведенной выше модели, которые показали незначительное отклонение от начальных значений показателей качества социальной и природной подсистем при среднесрочном прогнозировании. Анализ результатов позволил сделать предварительные выводы о том, что существующая ситуация довольно устойчива и для ее существенного улучшения требуется либо время, либо определенное перераспределение управляющих ресурсов. Дальнейшие исследования должны проводиться с более детализированной моделью среднего уровня.

Построенная математическая модель оптимального управления развитием социо-природно-техногенной системой регионального уровня перспективна для исследования следующих проблем перехода к устойчивому развитию:

- оценка возможных активных управляющих воздействий на социо-эколого-экономическую систему с целью достижения приемлемого интегрального показателя качества и показателей подсистем:

- формирование стратегий устойчивого развития отдельных природных ресурсов;

- построение стратегий развития, не выходящих за рамки ассимиляционного потенциала экосистем;

- устранение связи между экономическим ростом и экологической деградацией.

Список ссылок

1. Методические подходы к выбору стратегии устойчивого развития территории/Под научн. ред. проф., д.т.н. А.Г.Шапаря, НАН Украины, Ин-т проблем природопользования и экологии.-Днепропетровск, 1996. В 2-х томах, т.1.-162с., т.2.-170 с.

2. Методичні підходи до вибору та обгрунтування критеріїв і показників сталого розвитку різних ландшафтних регіонів України/ А.Г.Шапар, В.Б. Хазан, М.В.Мажаров.-Дніпропетровськ, ІППЕ НАН України, 1999.- 88 с.

3. Поліщук С.З., Долодаренко В.О., Чорнобровкіна Н.А., Рябко А.І. Системний аналіз і моделювання у розв'язанні проблем сталого розвитку території. Дніпропетровськ, 2001-136 с.

4. Гурман В.И.,Кульбака Н.Э.,Рюмина Е.В. Опыт социо-эколого-экономического моделирования развития региона// Экономика и мат.методы.1999. Т.35.вып.3.,с.69-79.

5. Полищук С.З., Стеблянко П.А.,Рябко А.И. Вариант комплексной социально-эколого-экономической модели развития территории. Мат. межгос.конф. Компьютерное моделирование. Днепродзержинск, 1997.

6. Ивлев О.Г., Рябко А.И. Системный подход и опыт построения и исследования модели социально-эколого-экономической системы. Сб.:”Досвід моделювання при прозв'язанні задач природокористування та екології”/ Під наук. ред. д-ра техн.наук С.З.Поліщука - Дніпропетровськ: Ін-т проблем природокористування та екології НАН України, 1998. - 140 с.

7. Долодаренко В.О., Поліщук С.З., Чорнобровкіна Н.А., Рябко А.И. Соціо-еколого-економічна модель розвитку старопромислового регіону з використанням уточненої моделі-прототипу. Зб.наук.пр.:Екологія і природокористування ІППЕ НАН України, вип. 2.- Дніпропетровськ, 2000 - 187 с.

Размещено на Allbest.ru