13.7. Контрольные вопросы к главе 13

1. Чем отличаются традиционный, модифицированный традиционный и предосторожный подход регулирования рыболовства?

2. Назовите основные версии предосторожного подхода в соответствии с п. 13.1.8.

3. Охарактеризуйте целевые, граничные и буферные ориентиры по интенсивности промысла и по биомассе запаса.

4. Опишите способы оценки целевых, граничных и буферных ориентиров управления по интенсивности промысла и по биомассе запаса.

5. Дайте характеристику трем режимам регулирования промысла при предосторожном подходе при сравнительно стабильном состоянии запасов.

6. Опишите особенности определения ориентиров управления с учетом значительного колебания запасов промысловых рыб.

7. Опишите блок-схему процедуры обоснования общего допустимого улова. Рассмотрите каждый из этапов процедуры в соответствии с этой блок-схемой.

8. Рассмотрите влияние уровня информационного обеспечения на выбор оценки и прогнозирования общего допустимого улова с учетом четырех таких уровней.

9. Дайте характеристику трем различным группам математических методов при предосторожном подходе.

10. В чем состоят особенности применения метода статистических испытаний (метода Монте-Карло) и бутстрепа при решении задач предосторожного подхода?

Глава 14. Экосистемные методы теории рыболовства

14.1. Общая характеристика экосистемных методов

14.1.1. Во многих отраслях знаний, связанных со сложными системами, прежде всего, с биологическими объектами, развиваются кибернетические исследования. Наибольшее развитие получили биологическая, медицинская, техническая, промышленная, военная, экономическая и некоторые другие направления кибернетики. В экологии обычно рассматривают сложные биологические системы. Точное описание таких систем пока невозможно, и они для анализа и синтеза требуют применения кибернетических методов.

Впервые понятие «Экологическая кибернетика» предложено В.Н. Мельниковым и В.И. Чернышом независимо друг от друга в 1990 году. В 1998 году в Вестнике АГТУ были опубликованы статья А.В. Мельникова «Введение в экологическую кибернетику» и статья В.Н. Мельникова «Особенности моделирования в экологической кибернетике» с изложением основ экологической кибернетики.

Рассмотрим некоторые проблемы, особенности и методы экологической кибернетики как одного из новых направлений кибернетики и теоретической основы экосистемных методов теории рыболовства.

14.1.2. Экологическая кибернетика - наука об управлении надорганизменными сообществами (популяциями, видами, биотопами, биоценозами, экосистемами и т.д.) как сложными биологическими системами.

В экологической кибернетике рассматривают не замкнутые экологические системы, а открытые, которые включают средства воздействия на элементы закрытой экологической системы. Соответственно предметом экологической кибернетики являются открытые экологические системы (системы управления экологическими процессами), включающие биологические сообщества, внешнюю среду и средства воздействия на биологические сообщества и внешнюю среду.

В открытых экологических системах управляют условиями внешней среды, поведением, распределением, ростом, состоянием, составом и численностью биологических объектов и сообществ, средствами воздействия на биологические объекты и внешнюю среду.

Основная цель экологической кибернетики - улучшение условий внешней среды, повышение эффективности функционирования и использования природных и искусственных биологических сообществ путем оптимизации взаимодействия человека и биосферы.

14.1.3. Наиболее важные задачи экологической кибернетики:

• уточнение структуры, основных понятий и показателей экологической кибернетики;

• разработка основ анализа экологических систем как объекта управления;

• разработка систем управления экологическими процессами различных видов на кибернетической основе;

• управление численностью, видовой, возрастной и половой структурой биологических сообществ;

• управление пространственно-временным распределением биологических сообществ;

• управление суточными, сезонными и годовыми и другими циклическими процессами в биологических сообществах;

• управление механизмами регуляции численности и состава биологических сообществ;

• управление физиологическим состоянием объектов в биологических сообществах;

• управление взаимодействием надорганизменных сообществ;

• управление жизнестойкостью биологических объектов и сообществ;

• управление первичной продукцией в местах обитания биологических сообществ;

• управление циркуляцией веществ и потоков энергии в экологических системах;

• управление условиями внешней среды, прежде всего с целью повышения эффективности функционирования и использования биологических объектов и сообществ;

• разработка основ охраны внешней среды в местах обитания биологических сообществ.

14.1.4. Из экологической кибернетики можно, в частности, выделить проблемы, связанные с экологией водоемов, и рассматривать водную экологическую кибернетику (экологическую кибернетику водоемов). В свою очередь, в состав экологической кибернетики водоемов входит широкий круг проблем, связанных с рыбохозяйственными процессами и системами. Соответственно, рыбохозяйственная экологическая кибернетика, по В.Н. Мельникову, рассматривает проблемы управления сложными экологическими процессами в рыбохозяйственных системах. При этом основные задачи экологии и охраны промысловых водоемов связаны с повышением эффективности функционирования сообществ гидробионтов в целом путем управления рыбохозяйственными системами и процессами.

Из рыбохозяйственной экологической кибернетики выделяют проблемы промыслово-экологической кибернетики, которая изучает процессы управления запасами промысловых гидробионтов. Предметом промыслово-экологической кибернетики являются промыслово-экологические системы, включающие объект лова, внешнюю среду в водоемах и средства добычи гидробионтов.

Промыслово-экологическая система по составу элементов напоминает промысловую систему. Однако в промысловых системах в основном управляют средствами добычи рыбы, поведением и распределением объекта лова, а в промыслово-экологических воспроизводством, ростом, состоянием, численностью и составом промысловых гидробионтов.

Рассматриваемые в этом учебном пособии проблемы являются составной частью промыслово-экологической кибернетики.

Опишем основные особенности экологической кибернетики и ее составляющих, которые в той или иной степени характерны для всех направлений и разделов кибернетики.

14.1.5. Одной из основных особенностей можно считать информационный подход к процессам управления в системах. На основе информации о состоянии системы вырабатывают такие информационные свойства сигналов (воздействий на управляемые объекты), которые в некотором смысле оптимизируют процесс управления в системе. Для реализации информационного подхода к процессам управления в кибернетических системах создают информационное обеспечение в виде информационной модели системы и банка данных.

Информационная модель должна предусматривать накопление материалов, в которых отражена структура и динамика систем управления экологическими процессами. Банк данных предназначен для хранения всей информации, нормативного, расчётного и другого характера.

14.1.6. Кибернетический подход к управлению экологическими процессами предусматривает системное решение задач. Он предполагает

• единый комплексный характер всех элементов систем управления экологическими процессами;

• разработку этих систем в целом; одновременное рассмотрение систем; решение задач организации, регулирования, контроля и прогнозирования как основных функций управления такими системами;

• совместное использование организационных, информационных, программных, технических средств и приемов при разработке и функционировании систем.

Важно, что если система состоит из подсистем, то системность достигается единством информационного, математического и другого обеспечения в отдельных функциональных подсистемах.

14.1.7. При системном подходе, особенно при разработке автоматизированных систем управления экологическими процессами, большое значение имеет оптимальное распределение финансовых, временных, весовых, объемных и прочих ресурсов между отдельными частями технических средств системы. К последним, в частности, относятся терминальные устройства, линии связи, внешние устройства ЭВМ, устройства воздействия на биологические сообщества и внешнюю среду, поисковые средства и т.д. Оно также предусматривает рациональное распределение функционального вклада в систему между математическими моделями, алгоритмическим, программным и техническим обеспечениями.

Системный подход предполагаает примерно одинаковые требования к точности оценки параметров и показателей в различных подсистемах, особенно если повышение точности в подсистемах связано с затратой дополнительных средств.

14.1.8. Особенностью экологической кибернетики является моделирование процессов управления, что равносильно сведению процессов управления в реальных системах к кибернетическим моделям.

Кибернетические модели должны соответствовать реальной системе управления экологическими процессами и обладать некоторым уровнем абстракции без существенного искажения описания реальных процессов в системе.

Различные виды кибернетических моделей - структурные, математические, сетевые, лингвистические и т.д. - позволяют получить неодинаковую степень адекватности реальным процессам в системах управления экологическими процессами. Но область их применения определяется не только степенью адекватности, но и назначением моделей, степенью детализации процессов, диапазоном применения и т.д.

В экологической кибернетике большое распространение получат структурные и особенно математические модели, хотя при решении организационных вопросов управления широкое распространение могут найти сетевые модели.

14.1.9. Одной из важных особенностей экологической кибернетики можно считать вероятностно-статистический подход к процессам управления, обусловленный, прежде всего, случайным характером состояния, поведения, распределения, состояния, численности и состава биологических объектов управления, а также условий внешней среды.

Иногда для уменьшения необходимого объема детерминированной информации и сохранения ее основных особенностей в кибернетике искусственно вводят случайность.

14.1.10. Наконец, существенной особенностью экологической кибернетики можно считать широкое применение принципов оптимальности и адаптации, саморегулирования, самообучения и самоорганизации. Использование этих принципов является основным направлением в развитии экологической кибернетики.

14.1.11. Методологическую базу экологической кибернетики в основном формирует теоретическая кибернетика. С учетом этой общенаучной базы экологическая кибернетика должна привлекать различные методы, прежде всего, для описания, анализа и синтеза систем управления экологическими процессами.

Наиболее распространенной и общей является классификация методов с учетом особенностей описания экологических систем управления, которая в значительной степени совпадает с классификацией математических методов, применяемых в кибернетике. По этому признаку различают методы структурные (сетевые); дифференциальных уравнений; дискретной математики; вероятностные; моделирования процессов управления в системах с применением ЭВМ; оптимизации процессов управления; комплексного исследования процессов управления.

Структурные (сетевые) методы основаны на использовании сетевых моделей как информационных моделей комплекса взаимосвязанных процессов в рамках экологической системы. Модель задают в форме сети, отражающей упорядоченность процессов во времени и учитывающей при необходимости другие характеристики системы и ее составляющих - массу, стоимость, ресурсы, распределение гидробионтов в пространстве и т.д. Сетевая система может охватывать всю систему или ее часть.

До недавнего времени метод дифференциальных уравнений был одним из наиболее распространенных методов исследования систем управления. И сейчас этот метод должен найти широкое распространение в экологической кибернетике, т.к. многие процессы в экологических системах хорошо описываются аппаратом дифференциальных уравнений (часто при сведении случайных процессов к детерминированным).

Дискретная математика включает теорию множеств и общую алгебру, математическую логику, теорию алгоритмов, теорию графов, комбинаторное исчисление, математическую лингвистику.

Необходимость применения методов дискретной математики при исследовании экологических систем обусловлена тем, что многие процессы управления в экологических системах дискретны. Кроме того, часто массивы информации и программы, записанные на машинных носителях, дискретны по своей структуре.

Математические и другие модели обычно не отражают всех свойств и особенностей сложных систем. Это приводит к упрощению, искажению и ошибкам при решении задач. Кроме того, не все реальные экологические системы поддаются аналитическому описанию, и тогда можно использовать метод имитационного моделирования на ЭВМ. Обычно этот метод применяют, если система описана большим числом уравнений и параметров, и ее исследование обычными математическими методами (аналитическое решение) невозможно или затруднено. ЭВМ за короткое время позволяет получить множество вариантов решений, строить таблицы и графики зависимости свойств системы от ее параметров. Таким образом, машинный эксперимент служит для исследования системы с помощью ее описания без построения и исследования реальной модели этой системы.

14.1.12. Методы оптимизации процессов управления служат для отыскания оптимальных законов управления. В зависимости от специфики системы управления применяют различные методы оптимизации, начиная от классических методов Эйлера-Лагранжа, принципа максимума и динамического программирования до методов математического программирования. При этом рассматривают непрерывные и дискретные, детерминированные и вероятностные варианты этих методов. Часто для отыскания оптимума процесса решают численными методами дифференциальные, интегральные или разностные уравнения.

В теории оптимального управления важное место занимают прямые методы поиска экстремума функции. Чтобы определить экстремум функции, применяют различные методы поиска экстремума. Сложность поиска и выбор метода поиска во многом зависят от числа переменных, влияющих на оптимизируемую величину.

Если математическое описание экологического процесса отсутствует, но известно, что он характеризуется некоторой функцией качества, то для оптимизации управления в ряде случаев можно использовать экстремальные регуляторы, входящие в систему управления. С помощью экстремального регулятора система так изменяет регулирующие воздействия, чтобы показатель качества стремился к экстремуму.

Методы комплексного исследования процессов управления составляют основу общей теории систем и исследования операций.

Общая теория систем направлена на решение совокупности философских, методологических, конкретно-научных и прикладных задач анализа и синтеза сложных систем произвольной природы с учетом аналогичности процессов в системах различного типа (биологических, экономических, технических, экологических и т.д.). Общая теория систем связана с научными методами, которые принято объединять под названием «Исследование операций». Их можно рассматривать как комплекс средств и методов для разработки математических моделей различных явлений и систем для создания или изменения системы в необходимом направлении.

14.1.13. Кроме применения и классификации методов кибернетики с уче­том математических особенностей решения задач, в экологической кибернетике используют также методы теории информации, теории автоматического управления, биологии, физики, биофизики, химии, биохимии, океанологии, океанографии, аквакультуры, промышленного рыболовства и т.д.