Угльницкий Г.А. Иерархическое управление устойчивым развитием

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 6. Модели иерархического управления 251

()

() ()

Jr g H

11( ) () () .

В случае вымогательства при распределении ресурсов решение зада-

чи: стратегия Подчиненного

gx hx

()

= 1/2.

Стратегия Центра q

=1,

Здесь Центр не оставляет Подчиненным возможности использовать

ресурсы на свои частные цели, т. к. все ресурсы, не использованные на

общесистемные цели, Центр забирает себе в качестве взятки.

В случае попустительства аналитически можно найти только страте-

гию Подчиненного:

22 1

()

gx hx

()

22 1

()

где x — любая точка из промежутка (0; 1], откуда видно, что

Доказано, что стратегии Центра q

в случае попустительства можно

найти при помощи метода последовательных приближений, а набор стра-

тегий r

при помощи метода линеаризации.

Как при наличии, так и при отсутствии частного интереса у Подчи-

ненного количество ресурсов, возвращаемое Центру в качестве взятки,

одинаково, т. е. отсутствие или наличие частного интереса на размер

взятки не влияет. А вот оставшиеся средства (минус средства, получен-

ные от Подчиненных в качестве взятки) распределяются Подчиненным

252 Иерархическое управление устойчивым развитием

в зависимости от того, имеются или нет частные интересы и каковы его

производственные мощности.

Пусть N={0, 1, 2, ..., n} — конечное множество субъектов экономи-

ческой системы, где {0} — Центр. Рассмотрим теперь возможность объ-

единения в коалиции, то есть подмножества K⊆N. В двухуровневой ие-

рархической системе управления возможны следующие основные типы

коалиций: 1) вертикальная коалиция — коалиция Центра и Подчинен-

ного; 2) горизонтальная коалиция — двух или нескольких Подчинен-

ных; 3) комплексная коалиция — коалиция Центра с несколькими Под-

чиненными.

Найдены выигрыши каждой коалиции, а также способы распределе-

ния выигрыша между всеми участниками коалиции (вектор Шепли, век-

тор пропорционального распределения) для задачи распределения ресур-

сов как кооперативной игры. Для каждой коалиции вычислена величина

vK vi=-

() (),

которая дает количественную характеристику выгод-

ности объединения в коалицию К.

Найден выигрыш от вступления в коалицию всех участников системы

vN g h H

( ) () () ()=

()

21 1 1

çç

-1 b

который можно оптимально распределить между участниками системы

при помощи вектора Шепли или вектора пропорционального распреде-

ления (Агиева и др. 2003). Найден вектор Шепли:

1211=

()

Hgh

() () ()

()

() ()

() (

g 111211

111

)() ()()

++ +

()

åå

bbb

ggh

;

=⋅

()

() ()

Глава 6. Модели иерархического управления 253

++++

()

ååå

bbb

() () () () ()sH g gh

iK2

111

11211

çç

iK l

() ()

}}\{}

() () .

åå

()

21 1

iK l

Найден также вектор пропорционального распределения:

xHgh

121 1

=++

()

() () ()

()

21 1

()

() ()

;

Hgh

()

() ()

() () ()

21 1

1211

()

1, ,..., .

6.4. МОДЕЛИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Основы современной теории экологического мониторинга изложены

в монографии Ю.А.Израэля (1979). Отличительной особенностью этой

работы является системный подход, в соответствии с которым проблемы

мониторинга рассматриваются в более широком контексте всесторонне-

го анализа окружающей природной среды. Системное описание мони-

торинга включает следующие функции: 1) наблюдение за воздействием

на среду; 2) наблюдение за состоянием среды; 3) прогноз состояния сре-

ды; 4) оценка текущего состояния среды; 5) оценка будущего состояния

среды; 6) нормирование состояния среды; 7) нормирование воздействия

на среду; 8) регулирование воздействия на среду; 9) регулирование со-

стояния среды.

Первые две функции являются сугубо информационными и могут

быть названы мониторингом в узком смысле слова — сбором информа-

ции о различных воздействиях на окружающую природную среду. Третья

функция является прогнозирующей, а четвертая и пятая функции — ана-

литическими. В совокупности первые пять функций образуют монито-

ринг (в широком смысле) согласно определению Ю.А. Израэля.

Оценка состояния среды тесно связана с вопросами нормирования,

поскольку главной задачей мониторинговых оценок следует считать

254 Иерархическое управление устойчивым развитием

именно сравнение фактического состояния среды с его нормативными

значениями, что позволяет сделать вывод о допустимости или недопусти-

мости текущего состояния и о необходимости предпринимать в этой свя-

зи определенные действия. Здесь естественно возникает переход к двум

последним вышеуказанным функциям регулирования, которые выходят

за рамки собственно мониторинга, но являются его логическим продол-

жением. Ценность мониторинга заключается в той информации, кото-

рую он предоставляет для принятия всесторонне обоснованных управ-

ленческих решений.

Мониторинговые наблюдения включают (Израэль 1979:160–163):

А) наблюдения за локальными источниками воздействий и загрязне-

ний и факторами воздействий. Источники воздействия могут быть при-

родными (землетрясения, извержения вулканов и т. п.) и антропогенны-

ми (деятельность промышленных и сельскохозяйственных предприятий,

транспорт, коммунальное хозяйство и т. д.);

Б) наблюдения за состоянием среды в геофизическом, геохимическом

и физико-географическом аспектах, сбор данных о составе и характере

загрязнений. Сюда относятся данные о природных стихийных явлениях

катастрофического характера, данные о рельефе земной поверхности,

природных ресурсах и народонаселении, наблюдения за природным кру-

говоротом веществ, наличием примесей в биосфере, различными загряз-

нениями и излучениями;

В) наблюдения за реакцией биоты на воздействия и изменение со-

стояния среды. Наблюдаемые данные должны соответствовать иерархи-

ческой организации экосистем — от отдельного организма до биосферы

в целом. Необходимо собирать как функциональные (запасы и продук-

тивность биомассы), так и структурные (численность видов растений

и животных) данные;

Г) наблюдения за реакцией крупных систем (погода, климат, био-

сфера в целом) на комплекс воздействий и вызываемых ими изменений

природной среды.

Указанные наблюдения должны осуществляться регулярно (через

определенные интервалы времени). Наблюдения могут быть как точеч-

ными, так и площадными: целесообразно комбинировать эти варианты.

Существенное значение при наблюдениях имеет определение фонового

состояния (для отдельных регионов и локусов и для биосферы в целом),

с которым в дальнейшем сравнивается состояние, измененное вследст-

вие воздействий.

Ключевым моментом оценки текущего состояния среды выступает его

сравнение с предельно допустимым (иногда критическим) состоянием.

Разница между этими значениями характеризует экологический резерв

Глава 6. Модели иерархического управления 255

рассматриваемой экосистемы, а отклонение фактического состояния

от допустимого определяет понятие экологического ущерба (Израэль

1979:166). При оценке состояния среды и возможного экологического

ущерба используются следующие величины: предельно допустимые кон-

центрации (ПДК) для оценки допустимого количества воздействующего

вещества в среде; предельно допустимые дозы для оценки допустимого

эффекта воздействия; предельно допустимые выбросы (ПДВ) для оцен-

ки допустимой интенсивности источника загрязнений; предельно допус-

тимая экологическая нагрузка (ПДЭН) для оценки допустимой экологи-

ческой нагрузки на отдельную экосистему или в рамках целого региона

(Израэль 1979:170–171).

Неотъемлемой частью мониторинга служат прогноз и оценка прогно-

зируемого состояния природной среды. Прогноз основывается: на сборе

данных о прошлом и настоящем состоянии среды; на изучении получен-

ных данных и выявлении содержащихся в них тенденций; на результатах

исследований, позволяющих выявить закономерности динамики загряз-

няющих веществ и реакции биоты на различные воздействия.

На первом этапе прогноза составляются различные сценарии измене-

ния интенсивности источников воздействия во времени и пространстве

(в частности, «нулевой» сценарий отсутствия источников загрязнения).

Далее разрабатывается прогноз возможных изменений в биосфере вслед-

ствие имеющихся и предполагаемых по сценарию воздействий (Израэль

1979:172–173).

Тесно примыкает к проблематике мониторинга вопрос об экологиче-

ском нормировании. Экологические нормы призваны обеспечить «здо-

ровье» экосистемы в целом, поэтому гибель отдельной особи или не-

скольких особей не является критической с точки зрения нормирования

состояния экосистемы или сообщества. На практике достаточно сложно

определить величину воздействия, начиная с которой возникает угро-

за для экосистемы в целом. Поэтому целесообразно выделять наиболее

важные в структурно-функциональном отношении виды, нежелательные

изменения в состоянии которых можно считать индикатором опасности

для всей экосистемы. Правда, при таком подходе не исключено, что по-

страдают «хрупкие» виды, более чувствительные к воздействию, поэтому

для особо охраняемых (например, заповедных) территорий нормативные

требования приходится ужесточать, приближаясь к санитарно-гигиени-

ческому подходу.

Помимо нормирования состояния экосистем, необходимо нормиро-

вать воздействие на них с учетом параметров силы и интенсивности. Здесь

нужно установить параметры воздействия, при превышении которых про-

исходит потеря устойчивости экосистемы. Часто в качестве критического

256 Иерархическое управление устойчивым развитием

значения (например, концентрации загрязняющего вещества) принима-

ют такое, которое ведет к гибели половины особей в популяции.

Следует отметить, что полный анализ последствий воздействия требу-

ет учета трансформации загрязняющих веществ в различных природных

средах и возможного совместного действия различных загрязняющих ве-

ществ. Существенное значение имеет также накопление вредных веществ

в природных средах и живых организмах (трофических цепочках), кото-

рое может приводить к нежелательным кумулятивным эффектам. Эти

явления еще недостаточно изучены и в большинстве случаев могут оце-

ниваться лишь приблизительно.

Классификация мониторинга может проводиться по различным при-

знакам. Так, по уровням можно выделять локальный, региональный

и глобальный (биосферный) мониторинг. По видам различают геофи-

зический, биотический, климатический, экологический (комплексный)

мониторинг. С точки зрения объекта выделяются мониторинг поверх-

ностных вод, атмосферы, почвы, подземных вод, геологической среды.

С другой стороны, можно классифицировать мониторинг по учитывае-

мым источникам (промышленность, сельское хозяйство, коммунальное

хозяйство, транспорт, энергетика и т. п.) и факторам (загрязнения, излу-

чения и т. д.) воздействия. В соответствии с целями выделяются режим-

ный, оперативный (при возникновении опасных ситуаций) и специаль-

ный мониторинг.

Центральное место в этой системе занимает экологический мони-

торинг, носящий комплексный характер. Необходимость создания

международной системы экомониторинга объясняется следующими

причинами: многие экосистемные процессы до сих пор недостаточно

изучены, поэтому их мониторинг мог бы обеспечить расширение эко-

логических знаний и тем самым повысить надежность прогнозов на

ближайшие десятилетия; разработка эффективных стратегий управле-

ния экосистемами невозможна без систематического наблюдения за

ними; антропогенные возмущения экосистем в настоящее время могут

сказаться на их будущих изменениях, что может быть зафиксировано

только в режиме организованного адаптивного мониторинга; долго-

временные наблюдения за экосистемами обеспечивают своевремен-

ное обнаружение начала негативных последствий их антропогенного

изменения; экологический мониторинг позволит идентифицировать

и систематизировать происходящие в биологических сообществах из-

менения (Spellenberg 2005).

Экологический мониторинг включает наблюдения, оценку и прогноз

антропогенных изменений состояния как абиотической, так и биотиче-

ской составляющей биосферы, в том числе изучение реакции экосистем

Глава 6. Модели иерархического управления 257

на воздействия, а его конечным результатом является оценка экологиче-

ского равновесия. В качестве интегральных показателей экологического

равновесия используются: сбалансированность биологической продук-

тивности (отношение первичной биологической продукции к вторич-

ной); скорость образования биопродукции (отношение продуктивности

к общей биомассе); интенсивность биологического круговорота (Изра-

эль 1979:208,211).

Экологический мониторинг должен осуществляться на локальном,

региональном и глобальном уровнях. Локальный мониторинг особен-

но важен в местах повышенной экологической опасности, где он может

служить основой для принятия немедленных мер, а также в слабо затро-

нутых человеческой деятельностью районах — для определения фоново-

го состояния.

Центральное место в иерархической структуре занимает региональный

мониторинг, включающий в себя наблюдения, прогноз и оценку состоя-

ния окружающей среды на определенной территории (выделенной по ад-

министративному или, реже, географическому признаку).

Детальная программа разработки информационного обеспечения

глобальных экологических исследований (геоинформационного мо-

ниторинга) предложена в монографии (Кондратьев и др., 2005). Как

отмечают авторы монографии, далеко не во всех странах существуют

единые мониторинговые системы. Проводимые в различных странах

наблюдения и исследования состояния окружающей среды разрознены,

отсутствуют единые стандарты представления и хранения информации.

Поэтому представляется целесообразным создание международного

Центра информационного обеспечения экологических исследований,

цели и задачи которого определяются следующим образом: подготовка

информации о распределении экологических данных в мировых и на-

циональных центрах сбора сведений о состоянии окружающей сре-

ды; синтез тематических баз данных, ориентированных на поддерж-

ку приоритетных национальных и международных программ изучения

окружающей среды; координация баз данных, имеющихся в научных

организациях различных стран; разработка каталогов данных и обес-

печение оперативного широкого доступа потребителей к этим дан-

ным; обеспечение выхода ведомственных и национальных тематиче-

ских баз данных в международные информационные сети; разработка

стандартов представления данных в системах геоинформационного мо-

ниторинга, координация исследований в области создания новых ин-

формационных технологий обработки экологических данных; инфор-

мационное обеспечение сетей интерактивного взаимодействия Центра

с пользователями по вопросам поддержки аппаратного и программного

258 Иерархическое управление устойчивым развитием

обеспечения; проведение научных конференций по проблемам инфор-

мационного обеспечения экологических исследований (Кондратьев

и др., 2005: 144–145).

Рассмотрим более подробно мониторинг поверхностных вод — одну

из наиболее разработанных систем мониторинга в России (Никаноров

2005). Основу нормативно-правовой базы этой системы образуют фе-

деральные законы № 7-ФЗ от 10.01.2002 «Об охране окружающей сре-

ды» и № 167-ФЗ от 16.11.1995 «Водный кодекс Российской Федерации»,

а также Постановление Совета Министров — Правительства Российской

Федерации от 24.11.1993 «О создании единой государственной системы

экологического мониторинга» и Постановление Правительства РФ от

14.03.1997 «Положение о ведении государственного мониторинга водных

объектов». Государственный мониторинг проводится Государственной

службой наблюдений за состоянием окружающей природной среды, ко-

торая осуществляется Федеральной службой России по гидрометеороло-

гии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) и Министерством

природных ресурсов России (МПР) при участии других органов испол-

нительной власти РФ и субъектов РФ через систему пунктов наблюде-

ний (Постановление Правительства РФ от 23.08.2000 № 662 «Положе-

ние о государственной службе наблюдений за состоянием окружающей

природной среды»).

В соответствии с Положением о государственном мониторинге вод-

ных объектов, целями мониторинга являются: своевременное выявление

и прогнозирование развития негативных процессов, влияющих на каче-

ство воды и состояние водных объектов, разработка и реализация мер по

предотвращению вредных последствий этих процессов; оценка эффек-

тивности осуществляемых водоохранных мероприятий; информацион-

ное обеспечение управления и контроля в области использования и ох-

раны водных ресурсов.

Система мониторинга должна удовлетворять следующим требова-

ниям:

— обеспечивать получение полной, достоверной и сопоставимой ин-

формации о состоянии водного объекта и источников воздействия

на него;

— обеспечивать получение информации в масштабе времени, даю-

щем возможность оперативного принятия управленческих реше-

ний, в том числе при возникновении опасных ситуаций, связанных

с аварийным загрязнением водных объектов;

— обеспечивать получение информации для удовлетворения потреб-

ностей управления водными объектами на локальном, территори-

альном, региональном (бассейновом) и федеральном уровнях;

Глава 6. Модели иерархического управления 259

— обеспечивать своевременное доведение информации до потреби-

теля;

— строиться по унифицированным методологическим и методиче-

ским принципам (Никаноров 2005:71–72).

Выполняемые службой Росгидромета в мониторинге состояния по-

верхностных вод суши наблюдения подразделяются на следующие виды:

фоновые, режимные, специальные и оперативные. При фоновых наблю-

дениях изучаются медленные изменения состояния поверхностных вод.

Получаемые данные образуют фон для регулярных режимных наблюде-

ний, определяющих сезонные, годовые и межгодовые изменения. Цели

специальных наблюдений индивидуальны для каждого их подвида и оп-

ределяют состав выполняемых работ для каждого случая.

В настоящее время основную роль играют режимные наблюдения, дос-

тавляющие основную информацию о качестве поверхностных вод суши.

Фоновые наблюдения проводятся по программе режимных и практически

представляют собой их разновидность. Оперативные наблюдения также

базируются на режимных (с дополнительным комплексом работ при ава-

рийных ситуациях) и требуют своего развития (Никаноров 2005:78).

Ведомственная разобщенность в рамках государственной службы мо-

ниторинга приводит к следующим недостаткам: фрагментарность сущест-

вующих систем мониторинга водных ресурсов, недостаточная их ориен-

тация на решение управленческих задач; методическая, метрологическая,

программная и аппаратная рассогласованность действующих служб; из-

быточные расходы вследствие частичного дублирования наблюдений;

несопоставимость получаемых различными службами данных; отсутст-

вие интегрированной системы сбора данных, анализа, оценки и прогноза

состояния водных ресурсов как основного звена управления; проблемы

с доступностью данных, получаемых различными ведомствами (Ника-

норов 2005:79).

Основными методами экологического мониторинга являются наблю-

дения, эксперименты и математическое моделирование.

Полевые наблюдения — традиционный способ получения информа-

ции о состоянии окружающей среды. Анализ полученных временных ря-

дов наблюдений позволяет: выделить те показатели, скорость изменения

которых наиболее высока, что может указывать на критический характер

воздействия; определить зависимости между данными; выявить содер-

жащиеся в данных тенденции как основу прогноза. Современными ме-

тодами наблюдений служат дистанционные методы (авиационные, кос-

мические), наиболее широко применяемые в оперативном мониторинге.

В общем случае система дистанционного оперативного мониторинга

строится по иерархическому принципу. Верхний уровень обеспечивается

260 Иерархическое управление устойчивым развитием

спутниковой информацией либо информацией с высоколетящего само-

лета. Его назначение — выявлять резкие изменения состояния природной

среды и формировать сигнал о времени и месте детального обследования

объекта. Средний уровень наблюдения базируется на информации, по-

лучаемой спектрометрами различных диапазонов спектра, и выполняет

функции экспрессного, но достаточно приближенного контроля состоя-

ния среды. На нижнем уровне определяют параметры среды, требующие

высокого компонентного разрешения (Никаноров 2005:125).

Важным методом экологического мониторинга служат эксперимен-

тальные исследования. При изучении и анализе воздействия различных

факторов на экосистемы целесообразно использовать идеи многофак-

торного эксперимента с учетом особенностей сложных, «плохо органи-

зованных» систем (Налимов 1971).

Существенной частью системы экологического мониторинга высту-

пает математическое моделирование. Математические модели позволяют

наиболее рационально использовать полученные в мониторинге данные,

проверить их корректность, обработать их с получением новой информа-

ции, восполнить недостающие данные путем интерполяции и экстрапо-

ляции, осуществить прогноз и т. д. В свою очередь, часть поступающих

от средств наблюдения данных используется для разработки новых или

корректировки имеющихся математических моделей, определения на-

чальных и граничных условий, проверки результатов моделирования.

Не претендуя на полноту классификации, многообразие используемых

в мониторинге математических моделей можно подразделить на следую-

щие группы: 1) модели оптимизации структуры мониторинга; 2) модели

экологического нормирования; 3) модели антропогенной динамики эко-

систем; 4) имитационные модели; 5) эволюционные модели.

Модели оптимизации структуры мониторинга позволяют определить

количество и схему размещения станций наблюдения, установить связи

между ними, выяснить потребную численность персонала и номенкла-

туру оборудования наблюдательных станций, уточнить параметры изме-

рений по различным методикам. Так, в работе (Горстко, Суходольский

1981) предлагается постановка двойственных задач оптимального мони-

торинга (на примере мониторинга водных ресурсов): 1) обеспечить мак-

симальную точность получаемой информации при заданном ее объеме

и уровне затрат; 2) найти минимальные затраты, необходимые для полу-

чения информации о водоеме с точностью не ниже заданной — и наме-

чаются пути решения некоторых частных постановок этих задач, тесно

связанные с построением и исследованием математической модели во-

доема. Развитие этой темы осуществлено в работах (Горстко и др. 1982,

1985). В работе (Горстко, Угольницкий 2000) задача построения сети