Общая классификация и характеристика экологических систем управления

УДК 574

А. В. Мельников, В. Н. Мельников

ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Экологическая кибернетика как наука об управлении сложными экологическими системами и процессами находится в стадии формирования. Можно считать известными лишь общие принципы, методы, основные цели и задачи этой новой науки [1-9].

Для разработки теоретических основ экологической кибернетики и решения ее прикладных проблем необходима прежде всего систематизация и краткая характеристика экологических систем управления [10-13].

Разнообразие способов управления в экологической кибернетике определяет существование большого числа видов экологических систем управления по разным классификационным признакам. К сожалению, в современных условиях сложно разработать достаточно полную и обоснованную классификацию из-за пробелов в теоретических и прикладных основах экологической кибернетики. В то же время даже краткая и несовершенная классификация по основным классификационным признакам должна способствовать упорядочению, повышению качества и эффективности исследований в экологии и экологической кибернетике.

С учетом функций управления различают экологические системы управления с выполнением функций (процессов) организации, регулирования, контроля и прогнозирования или с набором нескольких из этих функций. Здесь и в других источниках часто понятие «управление» употребляется вместо понятия «регулирование». Иногда понятие «регулирование» употребляют, когда рассматривают не всю систему, а только ее управляющую подсистему.

По степени связи с внешней средой различают экологические системы управления условно закрытые и открытые, в зависимости от возможности длительного обмена энергией, массой и информацией с внешней средой. Часто системы называют условно замкнутыми системами, если осуществляется обмен с внешней средой только энергией и информаций. По этому же признаку возможны комбинированные экологические системы управления, когда функционирование системы как условно закрытой чередуется с работой системы как открытой.

По общей структуре экологических систем и их составляющих различают:

— условно закрытые системы, состоящие из биологической составляющей без человека и окружающей среды, в которых возможны процессы саморегулирования в биоценозе и окружающей среде или только в биоценозе;

— условно закрытые системы, состоящие из биологической составляющей с человеком и окружающей среды, в которых возможно протекание процессов саморегулирования в биоценозе и окружающей среде или только в биоценозе, а также управление с помощью управляющей подсистемы человеком;

— отрытые системы, состоящие из биологической составляющей без человека и окружающей среды, в которых возможны процессы саморегулирования в биоценозе и окружающей среде или только в биоценозе, а также возможно управление системой с участием человека, распложенного вне экологической системы;

— отрытые системы, состоящие из биологической составляющей с человеком и окружающей среды, в которых возможны процессы саморегулирования в биоценозе и окружающей среде или только в биоценозе, а также возможно управление системой с участием человека в самой системе и человека вне системы.

По общей структуре экологических систем управления и трех ее составляющих (управляющая подсистема, управляемая подсистема и поле управления) различают:

— условно закрытые системы, не содержащие в явном виде управляющую подсистему, управляемую подсистему и поле управления, причем внутри системы длительное время протекают естественные процессы саморегулирования с отрицательными или (и) положительными обратными связями;

— условно закрытые системы, содержащие управляющую подсистему, управляемую подсистему и поле управления как пространство, где, кроме естественных процессов саморегулирования, происходит управление управляемой подсистемой с участием человека;

— условно закрытые системы, содержащие управляющую подсистему, управляемую подсистему и поле управления как пространство, где происходит управление управляемой подсистемой и поле управления также подвергается управляющему воздействию управляющей или управляемой подсистемы;

— открытые экологические системы управления, внутри которых протекают естественные или (и) искусственные процессы под влиянием колебаний условий окружающей систему среды, которые происходят без целенаправленного участия человека;

— открытые экологические системы управления, внутри которых протекают естественные или (и) искусственные процессы под влиянием воздействия человека непосредственно на экологическую систему;

— открытые экологические системы управления, внутри которых протекают естественные или (и) искусственные процессы под влиянием воздействия человека на окружающую систему среду;

— открытые экологические системы управления, внутри которых протекают естественные или (и) искусственные процессы под влиянием воздействия человека одновременно или последовательно на экологическую систему и на окружающую систему среду;

— открытые экологические системы управления, внутри которых протекают некоторые естественные или искусственные процессы, служащие средством воздействия на среду, окружающую эту систему, или на соседние экологические системы;

— открытые экологические системы управления, внутри которых протекают некоторые естественные или искусственные процессы, служащие средством воздействия на среду, окружающую эту систему, или на соседние экологические системы и т. д.;

— условно закрытые и открытые экологические системы управления, в которых управление распространяется не на все биологические объекты, а на некоторые (по видовому, возрастному или половому признаку), и только на часть пространства, где существует экосистема, а управление осуществляется периодически и т. д.

Во всех видах экологических систем управления:

— взаимосвязь управляющей и управляемой системы происходит путем обмена энергией, массой или информацией;

— возможно саморегулирование биологической составляющей системы, а иногда и поля управления;

— в состав управляющей и управляемой подсистемы может входить человек.

По положению источника управляющих воздействий различают экологические системы управления:

— с внутренним воздействием, когда источник управляющих воздействий располагается внутри экологической системы;

— внешним воздействием, когда источник управляющих воздействий располагается вне экологической системы;

— комбинированным воздействием, когда источник управляющих воздействий располагается внутри и вне экологической системы.

По месту и назначению человека в экологических системах управления возможны системы, где:

— человек является частью экологической системы и выполняет там функции только управляющего, управляемого или возмущающего объекта;

— человек является частью экологической системы и выполняет там одновременно или поочередно функции управляющего, управляемого или возмущающего объекта;

— человек располагается вне экологической системы и при внешнем управлении выполняет управляющие и возмущающие функции.

Очевидно, положение человека, выполняющего управляющие функции, совпадает с положением источника управляющих воздействий. Когда человек находится в составе экологической системы, он может быть управляемым объектом, например, когда экологическая система выполняет функции управления окружающей средой в системе.

По принадлежности к биологическим системам (образованиям) различного уровня различают экологические системы управления, в которых биологическая система является организмом, популяцией или биотическим сообществом как совокупностью популяций.

Экологические системы управления можно различать с учетом характера протекающих в них процессов и явлений, а также условий, в которых они протекают:

— природного характера, не связанного с деятельностью человека;

— природного характера, связанного с деятельностью человека;

— производственного характера, не связанного непосредственно с добычей природных ресурсов;

— непроизводственного характера, связанного с жизнью человека (отдых, туризм, спорт, культура и т. д.) в открытых пространствах;

— производственного и непроизводственного характера в закрытых помещениях (производственных, жилых, административных и т. д.).

По основным функциям охраны природы различают экологические системы управления, связанные с использованием природных ресурсов и охраной окружающей среды как средой обитания.

По видам используемых природных ресурсов можно выделить экологические системы управления при использовании ресурсов атмосферы, водных, земельных (почвенных и минеральных), растительных, животных и комбинированном использовании ресурсов.

По источникам загрязнения и способам борьбы с загрязнением окружающей среды как среды обитания выделяют большое количество экологических систем управления, связанных прежде всего с природными явлениями и видами деятельности человека.

По отраслям экономики различают экологические системы управления в отраслях энергетической, металлургической, угольной, химической, сельскохозяйственной, транспортной, строительной, лесной, рыбной, оборонной, космической промышленности и т. д.

В свою очередь, в каждой отрасли выделяют обычно несколько разделов экологической кибернетики. Так, при решении задач рыбного хозяйства обычно выделяют разделы экологической кибернетики, связанные с добычей рыбы, аквакультурой, переработкой рыбного сырья, т. е. с основными отраслями рыбного хозяйства.

С учетом областей знаний рассматривают экологические системы управления, связанные с разработкой общих проблем экологической кибернетики и ее основами: общими теоретическими, математическими, информационными, биологическими, физическими, биофизическими, химическими, биохимическими, техническими, экономическими и т. д.

По характеру изменения регулируемых показателей рассматривают следующие экологические системы управления: стабилизации, программные и следящие.

По принципу действия различают следующие системы управления:

— разомкнутые (без обратной связи) с управляющими воздействиями, постоянными во времени, с управлением по возмущению и программному управлению по системе жесткого регулирования;

— замкнутые при управлении по отклонению, при программном управлении по отклонению, самонастраивающиеся системы.

Дадим краткую характеристику перечисленных видов экологических систем управления.

В условно закрытых экологических системах взаимодействуют биологические сообщества; среда, окружающая эти сообщества; технические, физические, химические и другие средства воздействия на биоценоз и окружающую среду в системе.

Обычно средства воздействия в закрытой системе выступают в качестве управляющей подсистемы, иногда с участием человека. Окружающая среда в системе служит полем управления, а управляемая подсистема включает биологические сообщества и (или) окружающую среду в системе. Например, в промыслово-экологических системах управляющая подсистема состоит из орудия лова и других технических средств добычи рыбы, управляемой подсистемой является объект лова, а полем управления - часть водоема. В системах аквакультуры управляющей подсистемой служат технические и другие средства аквакультуры, а в качестве управляемой подсистемы в одних случаях выступает непосредственно объект аквакультуры, в других - водная среда, в третьих - и то и другое одновременно.

Чтобы соблюсти общность структуры систем управления в закрытых экологических системах управления, где протекают внутренние процессы саморегулирования или самоорганизации, окружающую среду, а иногда и биологические сообщества считают не только полем управления, но и управляющей подсистемой.

При работе открытых экологических систем управляющей подсистемой служат технические и другие средства воздействия (с участием или без участия человека) на экологическую систему как управляемую подсистему, полем управления служит среда, окружающая экологическую систему. Иногда поле управления, как и сама экологическая система, также служит управляемым элементом.

При работе открытых замкнутых экологических систем экологическая система может быть также управляющей подсистемой в отношении других экологических систем, которые выступают как управляемые подсистемы. Полем управления служит среда, окружающая рассматриваемые экологические системы.

Управляющие и управляемые подсистемы, входящие в общую экологическую систему управления, если их рассматривать как самостоятельные системы, часто построены по иерархическому (многоуровневому) признаку. Так, управляющая подсистема системы управления ловом может включать в себя самостоятельные системы управления орудием лова, промысловым судном, средствами механизации и автоматизации, управляющую вычислительную машину и т. д. с взаимосвязью по многоуровневому признаку. Управляемую биологическую подсистему (биоценоз) обычно рассматривают как состоящую из надорганизменных сообществ различных уровней, различного возраста, размера, пола, состояния и т. д.

Организация управления в многоуровневой управляющей системе обычно построена на сочетании централизованного и периферийного управления. Примером такого управления служит управляющая система живого организма. Основное количество информации, поступающей в организм, перерабатывает периферийная нервная система, а в центральную нервную систему поступает лишь информация, необходимая для управления жизнедеятельностью организма в целом. По такому же принципу построено управление в сложных технических системах, например в ЭВМ.

Рационально организованная иерархическая система должна удовлетворять по крайней мере следующим требованиям:

— каждый уровень системы п управляет уровнем (п — 1) и одновременно управляется уровнем (п +1);

— все уровни информационно связаны между собой;

— информация от объекта управления в управляющей системе движется от нижних уровней к верхним и постепенно уменьшается в объеме; обычно низший уровень управления предстает перед высшим как «черный ящик», сообщающий о результатах своего функционирования, а не о внутренних процессах, связанных с их реализацией;

— чем самостоятельнее работает тот или иной уровень управления, тем большую часть поступающей информации он воспринимает и тем меньшую часть передает на последующий уровень; определенная самостоятельность каждого уровня управления и последовательное сокращение информации обеспечивают эффективность многоуровневого управления;

— работа системы как единого целого обусловлена согласованием целей управления каждым ее элементом и их совокупности с целями перед системой в целом.

Экологические системы управления состоят из отдельных элементов. Элемент в рамках системы выполняет определенные функции и не подлежит дальнейшему делению. Элемент связан с другими элементами системы по крайней мере одним входом или выходом. Количественной мерой взаимодействия элемента со средой в виде входа и выхода служат перемещения, силы, потоки вещества, энергии, информации и т. д.

Каждый элемент характеризуется внутренним состоянием. Оно зависит не только от внутренних свойств элемента, но и от внешних воздействий. Особенно это характерно для организмов и сообществ как элементов системы управления.

При анализе, проектировании и эксплуатации систем чаще имеют дело с зависимостями между входами элемента и его выходами (а не состояниями, с которыми выходы связаны функционально). Поэтому элемент системы в общем случае рассматривают как преобразователь входов в выходы. Если входы элемента однозначно определяют его выходы, то элемент считают детерминированным, в противном случае - вероятностным или индетерминированным.

Функционирование системы обеспечивает связи между его элементами. В технических системах они формируются при их проектировании, а в биологических возникают естественным путем в процессе развития организма.

Взаимодействие элементов рыбохозяйственных систем друг с другом и внешней средой столь же разнообразно, как свойства элементов и внешней среды. При анализе и проектировании систем принимают во внимание лишь те связи, которые существенно влияют на их функционирование, остальными пренебрегают, а в некоторых случаях систему защищают от их возмущающего влияния.

Используя понятия входов и выходов элемента, предполагают, что они моделируют наиболее существенные связи между элементами и между элементами и внешней средой. При формировании конкретной системы из элементов реализуют определенные соотношения между их свойствами, существенные для выполняемых ею функций. Формирование связей между элементами при их объединении в конкретную систему можно также рассматривать как установление определенного соотношения между их входами и выходами. Этими соотношениями и задают структуру системы.

Важными характеристиками экологической системы являются ее разнообразие, разнока-чественность связей, сложность, число степеней свободы и т. д.

Разнообразие системы обычно измеряют двоичным логарифмом числа различимых состояний системы. Разнообразие системы зависит не только от свойств системы, но и от степени ее изученности, квалификации исследователей, характера и необходимой точности решения задач и т. д.

При оценке разнообразия учитывают, что в таких системах, как рыбохозяйственные, часто задают не одно, а множество соотношений между элементами системы, которые характеризуют различные стороны взаимосвязи свойств этих элементов. В этом случае система характеризуется неоднородностью, различным качеством элементов и связей, структурным разнообразием.

Чем больше разнообразие системы, тем сложнее управление системой, которое часто сводится к уменьшению разнообразия в поведении системы.

Очевидно, что система с большим разнообразием элементов и их связей требует для описания большего количества информации. В соответствии с принципом необходимого разнообразия для успешного управления собственное разнообразие управляющей подсистемы рыбохозяйственной системы должно быть не меньше разнообразия объекта управления, т. е. не меньше разнообразия решаемой задачи управления.

В сложных рыбохозяйственных системах принцип необходимого разнообразия часто не выполняется. Чтобы решать задачи, в этом случае используют различные способы упрощения модели управления путем агрегатирования объекта управления (например, отказ от учета возрастной и половой структуры популяции рыб), линеаризации связей, замены вероятностных зависимостей детерминированными и применения других видов аппроксимации.

Часто воздействия не учтенных в уравнениях модели связей вводят с помощью внешнего дополнения к модели (в виде «черного ящика») датчика случайных чисел. Внешним дополнением к модели объекта управления может выступать также блок неформализуемых решений, который на основе дополнительных сведений, знаний, опыта корректирует модельные расчеты.

Одной из характеристик системы является число степеней свободы как разность между общим числом переменных и числом уравнений связей между ними.

Длительное время в экологических (как и других) исследованиях отдельные подсистемы и элементы подсистем были предметом раздельного изучения, причем обычно специалистами различного профиля. Так, технические средства воздействия на экосистему изучали инженеры, физики, химики, биоценоз - биологи, условия внешней среды - метеорологи, океанологи, гидрологи, часто без взаимной увязки и обобщения полученных результатов. Раздельное изучение составляющих систем управления экологическими процессами в значительной степени сдерживало анализ и совершенствование экологических процессов и систем.

Важно учитывать, что при системном кибернетическом подходе происходит не простое объединение элементов, а установление возможно большего числа внутренних связей в системе, объединение элементов и подсистем на основе построения единой модели системы.

Системный подход, однако, не только означает совместное изучение элементов системы, но и указывает на необходимость комплексного, полного и широкого охвата при анализе, разработке и эксплуатации систем различных прикладных наук и научных направлений, имеющих отношение к решению задач экологической кибернетики: биологии, математики, физики, химии, теории автоматического управления, теории информации, экологии, дисциплин, связанных с той или иной областью хозяйственной и другой деятельности, и т. д.

В соответствии с системным подходом изучаемую систему часто рассматривают не как самостоятельную единицу, а как подсистему большей системы с необходимостью изучения не только внутренних связей в системе, но и внешних. Примером может служить объединение экологических систем управления в некотором районе как части биосферы.

Основные преимущества системного кибернетического подхода при исследовании экологических систем управления:

— возможность изучения во взаимосвязи таких различных элементов, как биологические объекты, окружающая среда, разнообразные технические и другие средства управляющих элементов систем, т. к. именно такая взаимосвязь во многом определяет эффективность управления системами;

— возможность применения при исследовании систем большего числа методов исследований, в частности кибернетических;

— относительная простота разработки математических моделей системы, а не только ее отдельных элементов;

— меньшие сложности обоснования и проектирования элементов системы, свойственные комплексному подходу к проблеме.

Преимущества системного подхода особенно заметны при рациональном использовании кибернетических методов исследований экологических систем, идей и методов теории информации. В частности, при информационном подходе вход и выход систем можно рассматривать в связи со свойствами передавать, воспринимать, преобразовывать информацию и реагировать на нее, что позволяет использовать информационные подходы для совершенствования процессов управления.

Деление экологических систем управления на подсистемы обычно не вызывает затруднений. Сложнее разделить подсистемы на элементы с учетом структуры подсистем, задач исследований, возможностей моделирования элементов и многих других причин.

Выбор элементов отражает процессы в исследуемой системе. Для каждой системы, подсистемы и тем более элемента системы должна быть характерна известная целостность, полнота и законченность, что накладывает определенные ограничения на деление систем.

С учетом деления экологических (как и других) систем управления на подсистемы и элементы строят функциональные и структурные схемы.

На функциональной схеме каждой подсистеме или элементу системы соответствует определенное звено, и она позволяет проследить путь управляющего воздействия от одного элемента системы к другому.

В структурной схеме каждое звено соответствует определенной математической операции преобразования внешнего воздействия. В зависимости от полноты математического описания и особенностей математических моделей различных звеньев для одной и той же экологической системы управления можно составить различные структурные схемы.

Заключение

В результате теоретических исследований разработана классификация экологических систем управления более чем по 10-ти классификационным признакам и установлены особенности таких систем для более глубокого анализа и оптимизации систем и протекающих в них процессов. Наибольшее значение материалы статьи имеют для рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

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 / Астрахан. техн. ин-т рыбной пром-сти и хоз-ва. - Астрахань, 1988. - 42 с. - Деп. в ЦНИИТЭИРХ, 1988. - РХ 936.

3. Мельников В. Н. Рыбохозяйственная кибернетика // Сб. тр. ВНИРО. - 1990. - С. 3-13.

4. Мельников В. Н., Мельников А. В. О предмете «Промысловая экология» // Вестн. Астрахан. гос. техн. ин-та рыбной пром-сти и хоз-ва. - М., 1993. - № 1. - С. 43-45.

5. Мельников А. В. Введение в экологическую кибернетику // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Экология. - 1998. - С. 39-45.

6. Мельников В. Н., Мельников А. В. Рыбохозяйственная кибернетика. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 1998. - 310 с.

7. Мельников В. Н. Особенности моделирования в экологической кибернетике // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Экология. - 1998. - С. 32-38.

8. Мельников А. В. Некоторые вопросы контроля и регулирования рыболовства // Сб. науч. тр. ВНИРО.

- 1988. - С. 157-169.

9. Мельников А. В. Некоторые проблемы регулирования рыболовства // Сб. науч. тр. ВНИРО. - 1993. - С. 11-24.

10. Мельников А. В., Мельников В. Н. Селективность рыболовства. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2005. - 376 с.

11. Мельников В. Н. Основы управления объектом лова. - М.: Пищ. пром-сть, 1975. - 358 с.

12. Мельников В. Н. Биотехнические основы промышленного рыболовства. - М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1983. - 216 с.

Статья поступила в редакцию 19.03.2009

GENERAL CLASSIFICATION AND CHARACTERISTIC OF MANAGEMENT ECOLOGICAL SYSTEMS

A. V. Melnikov, V. N. Melnikov

Problems of ecology and cybernetics as the science of complex systems management are analyzed in the paper. The classification of management ecological systems for various classification features is developed. Their general characteristic is given in order to increase the efficiency of ecological problemsolving.

Key words: ecology, cybernetics, management systems, classification, characteristic.