CC BY
162
УДК 574(075.8):6П2.15(03)
А. В. Мельников, В. Н. Мельников
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ И ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
Во многих отраслях науки и производства широко развиты исследования в области кибернетики как науки, изучающей сложные системы управления, прежде всего - с биологическими объектами. Наибольшее развитие получили биологическая, медицинская, техническая, промышленная, химическая, военная, экономическая, рыбохозяйственная и некоторые другие направления кибернетики [1-3].
Особенно перспективно применение кибернетики в экологии [4-15].
Некоторые направления кибернетики содержат разделы, которые имеют прямое или косвенное отношение к экологии. Так, экология, экологическая кибернетика являются теоретической базой охраны окружающей среды. Прямое отношение к экологии имеет рыбохозяйственная кибернетика, которая связана с сохранением и увеличением биологических ресурсов водоемов путем совершенствования управления рыбохозяйственными процессами и системами.
К сожалению, систематического изложения проблем экологической кибернетики пока не существует.
Начало формирования экологической кибернетики в 70-80-е гг. XX в. связано со следующими обстоятельствами:
— серьезным ухудшением экологической обстановки в мире;
— возросшей ролью экологии как теоретической базы охраны окружающей среды;
— применением системного подхода, теории операций новых методов моделирования к изучению сложных процессов и систем;
— разработкой методов изучения процессов с высокой степенью неопределенности;
— широким развитием информационных и компьютерных технологий и т. д.
Теоретическая и практическая необходимость, развитие новых фундаментальных и прикладных наук сделали необходимым и возможным не только изучение экологических процессов, но и всемерное развитие на новой научной базе методов управления разнообразными экологическими процессами.
Рассмотрим здесь основные понятия экологической кибернетики и основные особенности управления экологическими системами и процессами с учетом ранее выполненных нами исследований по экологической кибернетике [8-15 и др.].
Процесс управления в общем случае можно представить как упорядочение некоторой системы в результате получения, накопления, передачи и преобразования информации, массы и энергии с целью получения некоторого положительного результата. В широком понимании рассматривают четыре функции управления: организация, регулирование, контроль и прогнозирование.
Часто в различных областях науки понятия «управление» и «регулирование» считают синонимами. Более правильно понятие «управление» относить ко всей системе или некоторому процессу в системе, а регулирование - к воздействию на управляемый элемент системы.
Мы обычно применяем понятие «управление» и как обобщенное понятие, и как понятие, характеризующее регулирование управляющего элемента системы или процесса. Однако если рассматриваются другие функции управления, кроме регулирования, то выделяются функции организации, контроля и прогнозирования.
В экологии экологические системы обычно качественно описывают и анализируют. В экологической кибернетике, кроме этого, рассматривают проблемы управления экологическими системами, в том числе с учетом данных, полученных в экологии. Соответственно, при решении задач управления экологическими системами будем называть эти системы экологическими системами управления, в которых протекают процессы, необходимые для достижения поставленных целей управления с учетом некоторых ограничений и требований.
Особенности и способы управления экологическими системами вытекают из целей и задач экологической кибернетики, вида и структуры экологических систем, задач по улучшению функционирования биологических объектов, в том числе человека, в результате охраны окружающей среды, использования природных ресурсов, вида хозяйственной и иной деятельности человека, областей знаний, где рассматривают задачи экологической кибернетики.
Наиболее важные разновидности управления экологическими системами связаны с делением управления на внутреннее и внешнее, а также с особенностями участия человека в управлении:
— естественное внутреннее управление в экологической системе путем саморегулирования, например на основе адаптации, без участия человека;
— внутреннее управление с воздействием на экологическую систему человека как часть экологической системы;
— естественное внешнее управление путем воздействия на экологическую систему окружающей среды, которое приводит к эффекту управления системой без участия человека (например, при адаптации системы к воздействиям окружающей среды);
— внешнее управление, связанное прямо или косвенно с воздействием человека вне системы на экологическую систему, в которой отсутствует человек;
— внешнее управление при прямом или косвенном воздействии человека на экологическую систему, в которой присутствует человек и который может также управлять этой системой.
При внешнем управлении и прямом воздействии человек непосредственно влияет на элементы экологической системы, а при косвенном воздействии влияет на экологическую систему путем воздействия на показатели внешней среды, окружающей систему.
Из рассмотренных видов управления экологическими системами вытекает деление экологических систем и экологических систем управления на природные и антропологические.
Представляет интерес деление управления с учетом роли человека в управлении экологическими процессами и системами:
— участие в информационных процессах, связанных с управлением;
— участие в процессах, связанных с обменом энергией или массой между экологической системой и окружающей средой;
— участие в управлении показателями условий среды в экологической системе или вне системы;
— участие в управлении биотической составляющей экологической системы и биотическими факторами вне системы;
— участие в комбинированных процессах управления.
В общем случае под управлением экологическими системами будем понимать воздействие на биологические сообщества (объекты) и на окружающую среду (биотоп) в системе и вне ее путем регулирования обмена веществом, энергией и информацией для достижения поставленной цели (повышение эффективности функционирования экологической системы) с учетом заданных ограничений и требований.
Информационное управление биологическими объектами возможно путем сообщения им управляющей информации или уменьшением вредного влияния неуправляющей информации.
Приведенное определение управления экологическими системами достаточно конкретно и в то же время выражает основные идеи, заложенные в управлении как общенаучной категории. Такое определение охватывает все случаи управления экологическими системами, если информацию рассматривать в самом широком смысле - как разнообразие.
Целью управления является создание условий, обеспечивающих достижение необходимых показателей состояния экологической системы, из возможного набора показателей.
В математической интерпретации управление сводится к обеспечению расчетных значений выходных переменных (переменных состояния) при различных колебаниях внешних воздействий на объект управления и свойств управляющей системы.
В процессе управления объект управления и управляющая подсистема взаимодействуют с помощью конечного числа информационных и других связей. Необходимое поведение системы обеспечивают путем управления ее входами, а иногда и независимыми от входов параметрами самой системы, при этом поведение системы характеризуется ее выходами.
Процесс управления в общем случае состоит из двух этапов. На первом этапе вырабатывают цель и программу управления, на втором - цель и программу реализуют. Однако часто оба этапа объединяют в один, т. к. первоначально составленную программу, а иногда и цель управления, корректируют в процессе реализации программы.
Связь между выходом и входом двух разных элементов называют прямой, а связь между выходом и входом одного и того же элемента - обратной. Такая связь возможна или непосредственно, или через другие элементы. В системах управления обратную связь используют как канал, по которому в орган управления поступает информация о состоянии объекта управления.
Различают два вида обратной связи. Отрицательная обратная связь уменьшает влияние входного воздействия на выходную величину и способствует восстановлению равновесия в системе. Положительная обратная связь, наоборот, увеличивает влияние входного воздействия на выходную величину и усиливает отклонение от равновесного состояния по сравнению с системой без такой обратной связи.
Обратная связь способствует эффективному управлению при изменяющихся условиях работы системы и когда возмущающие воздействия не измеряют и их влияние заранее неизвестно.
В экологических системах управления показатели объекта управления могут изменяться в широких пределах, и тогда возможно несколько вариантов управления. Из них выбирают вариант с максимальной эффективностью управления. Чтобы сопоставить результаты управления различными способами, принимают критерий качества, а при единой количественной оценке затрат и результатов - критерий оптимальности.
Выбор критерия качества зависит от назначения системы, цели и условий ее функционирования. Обычно его задают в виде целевых функций или функционала входных (выходных) переменных и параметров объекта управления. Такими критериями в экологических системах могут служить различные показатели биоценоза и условий окружающей среды в экологической системе и вне системы и другие показатели, которые характеризуют результат управления системой, использования ресурсов системы и т. д.
Так, в рыбохозяйственных системах такими показателями обычно служат состояние запаса; видовой и размерный состав улова, производительность лова; видовой, возрастной состав и показатели качества выращиваемой рыбы; состояние рыбы как элемента экологической системы и т. д.
Каждому варианту управления могут соответствовать свои целевые функции и функционалы как критерии качества, и задача управления обычно заключается в выборе и реализации такого варианта управления, при котором наиболее значимый критерий качества принимает наилучшее значение в конкретных условиях функционирования системы.
При выборе критерия качества учитывают, что в экологической кибернетике возможно экстремальное и оптимальное управление. В экстремальных системах определенному значению входных переменных, например внешних воздействий на организмы, соответствует определенное значение критерия качества управления. При этом путем изменения регулирующих воздействий поддерживают экстремальное значение критерия качества. Процесс управления экологическими системами обычно состоит из нескольких операций, и наилучшие результаты в общем случае получают не при экстремальном, а при оптимальном управлении, добиваясь высокого качества управления при выполнении не одной, а всех операций процесса. Если эффективность всего процесса зависит в основном от качества управления одной операцией, то оптимальное управление заменяют экстремальным.
На управление обычно наложены ограничения, в соответствии с которыми параметры и переменные объекта управления и управляющие воздействия могут изменяться в ограниченных пределах. Ограничения накладывают также на быстродействие системы, объем используемой информации, сложность и время ее обработки, характеристики условий окружающей среды и т. д.
В общем случае под оптимальным управлением понимают такое управление экологическими системами, при котором получают наилучшее значение целевой функции или функционала при выполнении наложенных на систему ограничений.
Заключение
На основе разработанной классификация экологических систем управления по различным классификационным признакам и установленным ранее особенностям таких систем уточнены основные понятия экологической кибернетики и особенности управления экологическими системами и процессами. Полученные результаты способствуют более серьезному анализу и оптимизации экологических систем и протекающих в них процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мельников В. Н. О биотехническом (кибернетическом) направлении промышленного рыболовства // Рыбное хозяйство. - 1976. - № 9. - С. 50-53.
2. Мельников А. В. Оптимизация регулирования рыболовства как кибернетическая проблема // Астрахань, Астрыбвтуз. Рук. деп. в ЦНИИТЭИРХ. - 1988, рх. - 936. - 42 с.
3. Мельников В. Н. Рыбохозяйственная кибернетика // Сб. тр. ВНИРО. - 1990. - С. 3-13.
4. Берг А. И. Кибернетика - наука об оптимальном управлении. - М.: Энергия, 1964. - 268 с.
5. Шмальгаузен И. И. Кибернетические вопросы биологии. - Новосибирск: Наука, 1968. - 224 с.
6. МилсумДж. Анализ биологических систем управления. - М.: Мир, 1968. - 502 с.
7. Одум М. Основы экологии. - М.: Мир, 1986. - Т. 1 - 328 с.; Т. 2 -376 с.
8. Мельников В. Н., Мельников А. В. О предмете «Промысловая экология» // Вестн. Астрахан. техн. ин-та рыб. пром-сти и хоз-ва. - М., 1993. - № 1. - С. 43-45.
9. Мельников А. В. Введение в экологическую кибернетику // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Экология. -1998. - С. 7-13.
10. Мельников В. Н., Мельников А. В. Рыбохозяйственная кибернетика. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 1998. - 310 с.
11. Мельников В. Н. Особенности моделирования в экологической кибернетике // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Экология. - 1998. - С. 14-19.
12. Мельников А. В. Некоторые вопросы контроля и регулирования рыболовства // Сб. науч. тр. ВНИРО. -1988. - С. 157-169.
13. Мельников А. В. Некоторые проблемы регулирования рыболовства // Сб. науч. тр. ВНИРО. - 1993. -С. 11-24.
14. Мельников А. В., Мельников В. Н. Селективность рыболовства. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2005. - 376 с.
15. Мельников А. В., Мельников В. Н. Общая классификация и характеристика экологических систем управления // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Рыбное хозяйство. - 2009. - № 1. - С. 48-52.
Статья поступила в редакцию 29.09.2009
BASIC CONCEPTS OF ECOLOGICAL CYBERNETICS AND MANAGEMENT PECULIARITIES OF ECOLOGICAL SYSTEMS
A. V. Melnikov, V. N. Melnikov
Basic concepts of ecological cybernetics and management peculiarities of ecological systems and processes are specified on the basis of prior executed researches.
Key words: ecology, cybernetics, management systems, analysis, characteristic of management.
