ВВЕДЕНИЕ
В последние годы создание и развитие Государственной системы экологического мониторинга и менеджмента на территории Российской Федерации выдвигается на одно из первых мест среди проблем, связанных с охраной окружающей среды и рациональным природопользованием. Такое положение дел объясняется следующими важными обстоятельствами. Во-первых, необходимостью реализации Концепции перехода России к устойчивому развитию. При этом социально-экономическая и экологическая информация, отражающая состояние субъектов РФ через согласованные массивы данных, показатели и индексы становится основой для успешного планирования и принятия решений в масштабах всего государства.
Во - вторых, региональная экономика в условиях формирования рыночных отношений становится все более самостоятельной в вопросах потребления природных ресурсов, в связи с чем Управления по охране окружающей среды и природопользованию в субъектах РФ вынуждены не только контролировать состояние техногенных систем, но и разрабатывать экологически обоснованную стратегию комплексного освоения природно-ресурсного потенциала территорий. Для этого также необходимы информационные системы поддержки принятия решений, содержащие базы данных, математические модели, диалоговые и графические интерфейсы, средства анализа информации и т.п.
В - третьих, стремительное развитие в нашей стране информационных технологий, использующих персональные компьютеры, локальные и глобальные сети передачи данных, геоинформационные системы (ГИС), теорию искусственного интеллекта и многое другое, создает потенциальную возможность для внедрения информационных систем поддержки принятия решений в сфере экологического менеджмента.
Актуальность работы. Создание информационно-аналитического обеспечения процесса принятия управленческих решений в указанной сфере деятельности представляется весьма сложной научной задачей. Это объясняется тем,
5
что объекты экологического менеджмента (такие как воздушный или водный бассейны в совокупности с промышленными предприятиями, или системы сбора и переработки твердых отходов) по своей сути являются социотехнически-ми, состоящими не только из физических элементов, но и социальных, обладающих тесными связями с обществом и постоянно реагирующих на его требования. Кроме того, региональные экосистемы остаются малоизученными из-за отсутствия автоматизированных систем сбора данных, средств на проведение комплексных исследований, а также квалифицированных специалистов по планированию устойчивого развития территорий. Особо следует отметить и отсутствие научно обоснованных методов проектирования систем поддержки принятия решений в экологии. Данная отрасль знаний, ввиду сложности объектов исследования и многообразия решаемых задач, сегодня находится в начальной стадии своего развития. Отсюда и очевидна ее важность для народного хозяйства страны.
Цель данного научного исследования - спроектировать информационную систему поддержки принятия решений в административных органах управления природопользованием на базе геоинформационных технологий, теоретические и прикладные методы решения природоохранных задач, связанных с управлением качественным состоянием воздушного бассейна в промышленно развитых центрах.
Задачи. Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать состояние проблемы экологического менеджмента в нашей стране и за рубежом и рассмотреть возможность применения современных информационных технологий при разработке систем поддержки принятия решений.
2. Определить классы «типовых» задач экологического менеджмента и сформулировать их в математическом виде.
3. Формализовать новый класс ресурсно-техногенных или природо-промышленных систем (ППС) в целях математического моделирования и
имитационного исследования.
6
4. Выбрать принципы и технологию автоматизированного проектирования систем поддержки принятия решений в сфере природопользования и охраны воздушного бассейна.
5. Апробировать теоретические положения и программные средства экологического менеджера в условиях Тамбовской ППС.
Предмет и объект исследования. Объектом исследования является Тамбовская природо-промышленная система, в состав которой вошли промышленные предприятия с источниками пыле-газообразных выбросов, воздушный бассейн и слой почвы, накапливающий вредные вещества. Предметом исследования является информационная система поддержки принятия решений в экологическом менеджменте субъекта Российской Федерации.
Работа выполнялась в соответствии с постановлением и законом Тамбовской области «О природных ресурсах и природопользовании» и положением «О территориальной системе экологического мониторинга Тамбовской области» №529 от 29.08.97г.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы системного анализа, математического моделирования, теории принятия решений, имитационного и натурного экспериментов.
Научная новизна. Разработано формализованное описание класса ресурсно-техногенных систем на теоретико-множественной основе и предложена методика их исследования как объектов экологического менеджмента.
Сформулированы математические постановки «типовых» задач управления природопользованием и защитой окружающей среды от загрязнений.
Рассмотрена эволюция задач оптимального планирования нормативов выбросов из стационарных промышленных источников в детерминированном и вероятностном вариантах, а также в условиях купли-продажи прав на загрязнения.
Разработаны алгоритмы «централизованного» и «децентрализованного» решения воздухоохранных задач с использованием расчетных фоновых концентраций.
7
Сформулированы принципы построения информационной системы поддержки принятия решений в природопользовании.
Разработан метод выбора постов контроля для автоматизированной системы мониторинга воздушного бассейна.
Выявлены зоны повышенного содержания в почве г. Тамбова тяжелых металлов и их взаимосвязь сростом детской заболеваемости.
Практическая значимость. Создан программный комплекс информационно-аналитической системы поддержки принятия решений в территориальных органах управления природопользованием и защиты окружающей среды, включающий базы данных по предприятиям, источникам загрязнений, типам примесей, а также электронные карты местности и пользовательский интерфейс.
Решены следующие задачи по защите воздушного бассейна г.Тамбова от промышленных загрязнений:
1. Установления нормативов ПДВ для стационарных промышленных источников загрязнения, с использованием предложенной методики расчета фоновых концентраций.
2. Оптимального выбора мест размещения постов контроля в системе мониторинга воздушного бассейна ППС.
3. Экспериментального геохимического обследования территории г. Тамбова на содержание в почве тяжелых металлов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
¦ Методика решения задач экологического менеджмента, возникающих в практике работы природоохранных органов и служб субъектов Российской Федерации.
¦ Информационная система, обеспечивающая поддержку принятия решений на базе ГИС-технологии, баз данных, расчетных модулей и интерфейса менеджера.
Сведения об апробации результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:
- IV региональной научно-технической конференции «Вопросы региональной экономики», Тамбов, 2000г.;
- Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы малых городов», Елец, 2003 г.;
- Годичной научной конференции Института истории естествознания и техники им. СИ. Вавилова РАН, Москва, 2003г.;
- X межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии», Тамбов, 2003г.;
- Межрегиональной научно-практической конференции «Природные ресурсы и учение В.И. Вернадского - основа устойчивого развития цивилизации», Тамбов,2003г.;
- на научных семинарах кафедры «Природопользование и защита окружающей среды» Тамбовского государственного технического университета.
Сведения о публикациях (по теме диссертации). Основные результаты диссертационной работы опубликованы в восьми печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основная часть диссертации изложена на 159 страницах машинописного текста. Работа содержит 37 рисунков и 7 таблиц.
Первая глава работы освещает цели и задачи экологического менеджмента, его отличия от задач управления промышленными объектами. Подчеркивается новизна разработки информационно-аналитических систем поддержки принятия решений в сфере природопользования и охраны окружающей среды от загрязнений. Введено определение нового класса систем, а именно - ресурсно-техногенных. Подчеркивается их экосоциотехнический характер.
Анализируются возможности применения ГИС-технологий при проектировании систем поддержки лринятия решений в экологии. Рассматривается программное обеспечение геоинформационных систем, приводятся сравнительные характеристики отечественных и зарубежных программных комплексов.
В связи с усложнением задач экологического менеджмента, необходимостью учета большого числа связей, приложений и т. п., обосновывается методология автоматизированного проектирования баз данных информационных систем с использованием CASE-средств.
Описаны наиболее характерные примеры использования систем поддержки принятия решений в экологии: при управлении качеством воды в озере, загрязнении воздушного бассейна, выбросами от тепловых станций, уровнем воды в резервуарах и другие.
Вторая глава посвящена теоретическим вопросам разработки системного подхода к решению задач экологического менеджмента. С этой целью предложено формализованное описание ресурсных и техногенных объектов управления с единых позиций. Введены понятия природо-промышленной системы, ее подсистем, связей, элементов, контактов, носителей примесей и других категорий необходимых, при моделировании. Базируясь на описании данного класса систем предложена методика их исследования, состоящая из 5-ти этапов: концептуализации, спецификации, отображения, анализа и реализации. В основу процесса поддержки принятия решений положен ряд принципов, отличающих экологический менеджмент от производственного. И с учетом них математически поставлены типовые задачи управления ресурсопользованием и охраной окружающей среды. Эти задачи классифицированы как детерминированные, вероятностные, статические, динамические, циклические и «альтернативные» по операторам описания экологических подсистем.
Третья глава посвящена программной реализации системы поддержки принятия решений в охране воздушного бассейна. Для этого были предложены принципы, на основе которых возможно создание открытых систем: масштабируемости, расширяемости, интероперабельности, переносимости и т. п. Разра-
10
ботана конфигурация СППР, в состав которой вошли базы данных, ГИС-система, расчетные модули, графические и текстовые интерфейсы пользователя. В качестве типового пакета использована отечественная ГИС «Географ».
В работе подробно описаны все этапы проектирования информационно — аналитической системы: концептуального, логического и физического моделирования процессов. Создано рабочее место экологического менеджера, позволяющее оперировать массивами данных в любом варианте, организовывать расчеты по заданному сценарию, отображать информацию в нужной отчетной форме и контролировать состояния работы системы в целом.
Четвертая глава связана с практической реализацией задач экологического менеджмента на основе информационно-аналитической системы поддержки принятия решений. Одной из таких задач является планирование нормативов ПДВ для промышленных источников загрязнений атмосферы. В отличие от традиционного подхода в работе ставятся задачи оптимального планирования воздухоохранных мероприятий с использованием экономического критерия. Приведены примеры решения задачи в детерминированной и вероятностной постановках, а также с применение алгоритма расчета фоновых концентраций.
Не менее важной на практике является задача мониторинга загрязнений воздушного бассейна. В работе предложен алгоритм выбора постов контроля для г. Тамбова, использующий идеи теории игр. При этом использованы критерии Вальда, Гурвица и «среднего» выигрыша. Определены три географические зоны контроля качества приземного слоя воздуха в г. Тамбове, инвариантные к вышеназванным критериям. Правильность расчета подтверждена наличием вблизи этих зон действующих лабораторий санитарно-гигиенического надзора.
Экспериментальная часть работы связана также с геохимическим мониторингом территории г. Тамбова. Для этого исследовались пробы почв (взятые с глубины до 5 см.) на содержание в них тяжелых металлов. Установлены аномально высокие зоны загрязнений в городе, определены корреляционные связи между содержанием металлов и уровнем заболеваемости у детей.
11
I СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МЕНЕДЖМЕНТЕ
1.1 Цели и задачи экологического менеджмента как предметной области информационной системы
В 2002 году начался отсчет четвертого десятилетия с того момента времени, когда в 1972 году международное сообщество заложило основы глобальной деятельности по ослаблению неблагоприятных воздействий на окружающую среду [1]. При этом состояние одной из трех опор устойчивого развития, а именно - окружающей природной среды, по-прежнему вызывает самые серьезные опасения у специалистов-экологов вследствие:
- повышения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере;
- увеличения площадей деградированных земель;
- истощения и разрушения лесов;
- растущей угрозы биологическому разнообразию;
- дефицита и снижения качества пресной воды;
- истощения морских ресурсов.
Сегодня уже очевидно, что стратегическое планирование в области природопользования и охраны окружающей среды - это динамичный и поэтапный процесс, включающий анализ проблем и возможных вариантов их решения, определение состава задач, мониторинг, выработку и реализацию мероприятий, анализ достигнутых результатов, регулярную переоценку и корректировку планов.
Являясь неотъемлемой частью генерального политического курса нашего государства, эффективные природоохранные мероприятия должны вводиться в процессы управления всеми отраслями и на всех уровнях, и прежде всего в сферу выработки экономического курса. Опыт некоторых стран мира показывает, что успешно осуществляемые национальные планы действий и стратегии устойчивого развития одновременно отвечают интересам правительств, обще-
12
ства и частного сектора. Причем фокус стратегии необходимо перенести с проблем охраны природной среды на более широкую платформу устойчивого управления ресурсами.
Отсюда и возникает такая современная отрасль знаний как экологический менеджмент. И по этому поводу дадим некоторые пояснения. Как известно [2], слово «менеджмент» означает совокупность методов и средств управления производством в целях повышения его эффективности и увеличения прибыли. Сердцевиной любого производства, как известно, является технологический процесс, в котором из сырья получают целевой продукт. Управление технологическим процессом осуществляет оператор, а работу производства в целом координирует директорат. Из этого следует, что производство является продукто-ориентированной системой. В отличие от этого объектом экологического менеджмента является некоторая «ресурсная система», а ее сердцевиной - потребляемый природный ресурс (вода, газ, руда, морские животные и многое другое). В проблеме защиты окружающей среды от загрязнений под ресурсом обычно понимают буферные способности компонентов биосферы - ассимиляционные потенциалы воздушного или водного бассейнов, почв, экосистем и т.п. [3].
Согласно «правилу интегрального ресурса», хорошо известному в экологии [4, с. 154], конкурирующие в сфере использования конкретных природных систем отрасли хозяйства неминуемо наносят ущерб друг другу тем сильнее, чем значительнее они изменяют совместно эксплуатируемый компонент или экосистему в целом. То есть, в силу ограниченности ресурсного потенциала и потребления его разнообразными пользователями возникают конфликтные ситуации, над устранением которых работают экологические менеджеры.
С уменьшением ресурсного потенциала количество и острота конфликтных ситуаций неизбежно возрастают, а значит возрастает и роль экологического менеджера в управлении природо-промышленными системами. И в отличие от чисто производственных систем координация деятельности ресурсных оказывается несоизмеримо сложнее. Сложность их оценки и малая изученность в сочетании с противоречивостью запросов пользователей нередко приводят к
13
поиску компромиссных решений.
Характеризуя особенность экологического менеджмента, автор работы [5] отмечает, что в XXI веке менеджеры будут иметь дело со сложностями и конфликтами, противостоять которым можно лишь с помощью анализа взаимозависимостей систем и устранения противоречий в их кооперации, координации и коммуникации, особенно если речь идет об отношениях с общественностью. При этом экологические менеджеры должны научится маневрировать как в технической, так и в административной и политической сферах, а решение задач потребует не только чисто инженерных знаний, но и хорошей научной подготовки, знания законодательства, системного анализа и методов административного управления.
Ведущим принципом, способным сбалансировать интересы экономики, экологии и социальной сферы является принцип устойчивого развития, поскольку в нем заложены и идеи сбережения ресурсов для будущих поколений, и идеи сохранности качества их среды обитания. Таким образом цели экологического менеджмента видятся в удовлетворении потребностей природных и общественно-производственных структур в необходимых им видах ресурсов, в единой географической зоне отношений с которыми они находятся.
Понятие «экологический менеджмент» сформулируем с учетом работ [5,6] и стандартов ИСО 14043 «Экологический менеджмент. Термины и определения» [114].
Под экологическим менеджментом будем понимать применение конструктивных и организационных методов управления природными и искусственно созданными ресурсными системами в интересах полезности результатов для общества и окружающей среды.
Конструктивные методы — те, которые прямо нацелены на регулирование количества или качества потребляемого ресурса. Организационные — это программы или действия сопровождающие процесс управления. Например, влияющие на принятие решений.
Ресурсной системой назовем объединение природных элементов (ресурсов)
14
с системами их управления и работающих совместно для достижения целей экологического менеджмента.
Природной ресурсной системой является совокупность элементов природной среды, формирующих базу ресурсной системы. Тогда искусственно созданной ресурсной системой будем считать инфраструктуру, обеспечивающую регулирование количества и качества потребляемого пользователями ресурса.
Принципиальное различие в терминах «производственный » и «экологический» менеджмент заключается в формализации целей. Для производственного менеджмента свойственно использовать технико-экономические показатели, прежде всего связанные с ростом производства (прибыль, себестоимость, качество целевого продукта, его объемы и т.п.) Тогда как для экологического весьма характерны и качественные показатели (эстетические, рекреационные, общественно-значимые и т.д.).
В своей сущностной основе экологический менеджмент оказывается сложнее ввиду значительных пространственно-временных границ ресурсных систем, их открытости широкому кругу пользователей, противоречивости требований потребителей и общественности, слабой изученности и по многим другим причинам.
Решение задач экологического менеджмента предполагает наличие у специалистов опыта в следующих областях знаний:
1. Проблемно-ориентированной (характеризующей устройство и поведение ресурсной системы). Например управление качественным состоянием воздушного бассейна нуждается в знании процессов образования и распространения примесей, влияния метеопараметров на уровень загрязненности приземного слоя воздуха, критериев оценки качества воздушной среды и т.д.
2. Системного анализа, позволяющего понять, как взаимодействуют элементы ресурсной системы между собой, и осознать важность принятия интегральных решений для всей системы в целом.
3. Теории планирования и принятия решений в социотехнических системах.
15
4. Теории организации (способной объяснить индивидуальные и коллективные действия пользователей ресурсных систем).
5. Проектирования систем поддержки принятия решений, обеспечивающих менеджеров необходимой информацией в процессах управления.
6. Природоохранного законодательства, устанавливающего права пользователей, меру их ответственности и т.д.
7. Финансового менеджмента, обеспечивающего контроль за вложением и выручкой денежных средств от использования ресурсной системы.
При этом важную роль играют и принципы эффективного управления конкретными ресурсными системами.
Все это многообразие знаний свидетельствует о необходимости работы экологического менеджера на «стыке» наук, о важности проведения комплексных научных исследований в экологии, а также о целесообразности создания информационно- аналитического обеспечения процесса принятия управленческих решений.
1.2 Особенности информационных систем поддержки принятия решений в экологии
Системы поддержки • принятия решений (СППР) являются консультативными средствами менеджмента, обычно использующими компьютер с базами данных, моделями и коммуникационно-диалоговыми системами, обеспечивающими лиц принимающих решения (ЛПР) нужной для процесса управления информацией.
В экологии СППР должны обладать набором баз данных, оптимизационными методами, возможностями машинной имитации и картографирования, графическими интерфейсами, ГИС, различными средствами анализа и демонстрации результатов. Благодаря этому СППР становится инструментом анализа, используемым в экологическом менеджменте для «поддержки решений».
В обобщенном виде состав СППР показан на рис. 1.1.
16
Проблема
ЛПР
tr
Решение
Данные Модели Анализ Консультации
Рис. 1.1 Сопровождение процесса принятия решений с помощью СППР
Возможны следующие варианты использования СППР:
- для хорошо формализуемых задач и «структурируемых решений»;
- для плохо формализуемых (размытых) задач с набором возмоэ/сных «политических» решений.
В последнем варианте СППР способны генерировать нужную информацию и знания, однако принятие «окончательных решений» на их основе вряд ли окажется возможным [7].
Важной концепцией построения СППР в экологии является и концепция «системного мышления» [8], рассматривающая ресурсные системы как целостные. А так как они по своей сути социотехнические, наличие в них социальных элементов и подсистем порождает качественные категории типа «ценность», «вера» или «интересы» потребителей. При этом процесс принятия решений может сопровождаться публичными обсуждениями планов и программ, поиском новых альтернатив, расширением партнерства и т.д.
Собственно процесс принятия решений базируется на логическом и рациональном мышлении, системном анализе и творческих способностях ЛПР [9]. В практическом плане менеджер получает задание проанализировать определенную ситуацию. Создатель математической модели выполняет имитацию ситуации по известному сценарию и получает на компьютере возможные альтернативные решения. После этого менеджер (ЛПР) оценивает последствия этих
17
решений и принимает наилучшие, с его точки зрения, решения.
При этом важное значение имеет сбор экологических данных (см. рис 1.1). Для этого служат системы мониторинга [10]. Все собранные данные в СППР можно классифицировать как:
1. Переменные состояния, характеризующие состояние (статус) системы в любое время.
2. Управляющие или .«решающие» переменные, от которых в любое время зависит состояние системы.
3. Входные переменные — внешние, по отношению к системе. В частности это могут быть и денежные средства, и энергия, и идеи и т.п.
4. Выходные переменные - результаты принятых решений после их реализации в системе.
Другим важным обстоятельством создания СППР является формализация ресурсной системы, представление ее в виде элементов или подсистем, взаимодействующих между собой и окружающей их внешней средой. И первым шагом в этом направлении является определение границ системы, т.е. определение состава элементов внутри нее, а также входов и выходов, с помощью которых система взаимодействует с окружающим миром.
Очевидно, что социотехнические системы имеют больше элементов, чем физические, поскольку в них содержатся социальные компоненты, а, следовательно, и дополнительные связи. Формализация ресурсной системы дает возможность перехода ко второму шагу исследования - построению математической модели ее поведения (см. рис. 1.1).
Модель должна давать предсказания изменений, которые интересуют менеджера. Существуют мнения [11], что модели не всегда дают надежные прогнозы, а поэтому лучше ориентироваться на систематический сбор данных и их анализ. То есть имеет место подход «центрированный на данные». Отсюда и берут начало системы управления базами данных (СУБД) в экологии. Согласно [11], СУБД это «систематизированный набор вычислительных процессов, рабо- |
