14.7. Контрольные вопросы к гл. 14

1. Что изучает экологическая кибернетика, ее основная цель?

2. Перечислите основные задачи экологической кибернетики?

3. Какие виды кибернетики можно выделить из экологической кибернетики?

4. Перечислите и охарактеризуйте основные особенности экологической кибернетики.

5. Какие модели наиболее характерны из экологической кибернетики?

6. Какие общенаучные методы теоретической кибернетики привлекает экологическая кибернетика?

7. Какие методы оптимизации процессов можно использовать в экологической кибернетике?

8. На что, прежде всего, обращают внимание при моделировании экосистем в экологической кибернетике?

9. Что отличает надорганизменные системы как объект моделирования от других систем?

10. Что является конечным результатом моделирования в экологической кибернетике?

11. Какие основные задачи решают при моделировании экосистем в связи с сохранением и использованием биологических ресурсов водоемов?

12. Для какой цели и когда при экосистемном подходе используют статические и динамические, детерминированные и стохастические схемы моделирования?

13. Из каких этапов состоит разработка экологических проектов?

14. Какие исследования - качественные или количественные пока преобладают при экосистемном подходе?

15. Какие трудности стоят на пути математического моделирования при экосистемном подходе и в экологической кибернетике?

16. Назовите четыре основных процесса, которые определяют численность состав и распределение в биологических системах водоемов?

17. Запишите и поясните математическую модель обобщенной биологической системы в водоемах?

18. Поясните сущность отдельных слагаемых в модели обобщенной биологической системы.

19. Чем отличаются модели биологической системы с учетом биомассы и численности биологических объектов?

20. Что является характерной чертой сообщества?

21. Рассмотрите модель Вольтерра хищник-жертва.

22. Перечислите другие, кроме модели Вольтерра, зависимости хищник-жертва.

23. Опишите, в общем, модель водной экосистемы Г.Г. Винберга и С.И Анисимова.

24. Как в первом приближении оценить, удовлетворительно ли описывает модель экосистемы ее динамику?

25. Какие элементы содержит промысловая экосистема?

26. Какие основные процессы протекают в промысловой экосистеме?

27. Рассмотрите и поясните содержание схемы морской промысловой экосистемы.

28. Дайте краткую характеристику развития многовидовой теории промысла и промысловых экосистем.

29. Опишите основные требования к модели промысловой экологической системы.

30. Что необходимо для успешного создания и использования моделей промысловой экосистемы?

31. Какое уравнение положено в основу квотирования уловов при совместном использовании запасов?

32. Как определить пополнение при естественном и искусственном воспроизводстве, а также необходимое количество корма для роста рыбы?

33. От каких факторов в конечном итоге зависит вклад каждого государства в формирование рассматриваемой биомассы рыб?

34. Как определить квоты каждого государства в относительных единицах?

Глава 15. Методы и модели управления рыболовством с применением показателей надежности систем

15.1.Предпосылки применения теории надежности для анализа и совершенствования систем управления рыболовством

15.1.1. Во многих областях науки и техники широко применяют теорию надежности, как одно из средств повышения эффективности работы технических изделий, операций, систем. В рыбохозяйственных исследованиях эту теорию применяют для анализа и оптимизации надежности орудий лова с использованием известной монографии В.Н. Мельникова «Качество, надежность и работоспособность орудий промышленного рыболовства».

Ниже впервые сделана попытка использовать теорию надежности в теории рыболовства для анализа и управления запасами промысловых рыб.

Прежде чем приступать к изучению материалов этой главы, необходимо познакомиться с основами теории надежности, например по указанной выше книге. Особое внимание следует обратить на смысл основных понятий надежности и особенности их применения для исследовании объекта лова и условий внешней среды как подсистем системы управления запасами промысловых рыб. К ним относятся понятия отказа, неисправности, безотказности, срока службы, вероятности отказов, модели отказов, область работоспособности и область состояния системы управления рыболовства, уровень надежности системы, предельное состояние системы и т.д.

15.1.2. Многие процессы рыболовства носят случайный нестационарный характер. Будем различать два вида процессов.

Первый из них связан с переходными процессами рыболовства, когда такой процесс или некоторые параметры процесса переходят с одного стационарного уровня на другой. Наиболее характерным примером такого случая является переход запаса и промысла с одного уравновешенного уровня на другой. Для теории и практики рыболовства, прежде всего, важно знать существующий и новый уровни. Кроме того, такой нестационарный процесс перехода обычно ограничен во времени. С учетом только последнего фактора основное значение имеет время переходного процесса. Другие показатели переходного процесса рассматривают в связи минимизацией времени перехода.

Большая инерционность многих процессов рыболовства удлиняет время переходного процесса иногда на время, соизмеримое с продолжительностью жизни объекта лова. В переходный период, как правило, продолжается промысел, и для управления рыболовством необходимо знать различные показатели процесса, например, численность и состав запасов.

Второй, не менее важный, случай нестационарных процессов рыболовства, также наблюдается при направленном изменении (уменьшении или увеличении) некоторых показателей процесса. Такое изменение показателей может соответствовать допустимому протеканию процесса или выходу процесса за допустимый уровень. При рассмотрении параметров процесса как случайных величин и функций выход процесса за допустимый уровень можно определять различными способами. Один из них основан на сравнении средних значений фактических параметров процесса с допустимыми значениями. Другой, более общий случай, связан с определением вероятности выхода процесса за некоторое допустимое значение или область в условиях случайного характера фактических, а иногда и допустимых значений параметров процесса рыболовства.

Кроме этих параметров, в обоих случаях важен также ход направленного изменения процесса, особенно при приближении процесса к допустимым границам. Такие границы в общем случае зависят не только с предельно допустимого состояния процесса, но и от некоторых предупредительных или контрольных показателей состояния процесса.

Первостепенное значение имеют также мероприятия, направленные на возвращение процесса в нормальное состояние, например, путем управляющих воздействий на элементы системы управления рыболовством.

Первый случай нестационарных процессов в теории рыболовства является частным случаем второго. С учетом этого рассмотрим только второй случай, используя для этой цели некоторые идеи хорошо разработанной теории надежности технических систем.

15.1.3. Использование теории надежности обусловлено существенной общностью надежности технических систем и выхода за допустимые пределы параметров систем управления рыболовством. Соответственно, выход параметра рыболовства за некоторый предел с серьезными последствиями (потерей работоспособности системы) можно считать отказом системы управления рыболовством. Тогда можно использовать такие показатели безотказности как вероятность безотказной работы и вероятность отказа и показатели долговечности - срок службы или ресурс (последний учитывает только время непосредственной работы системы).

15.1.4. Показатели безотказности относится к одному параметру рыболовства, одному элементу системы управления рыболовством или к системе управления в целом. В последнем случае отказы различны по свойствам с учетом выходных параметров, которые определяют работоспособность системы управления рыболовством.

В зависимости от поставленной задачи отказы и безотказность классифицируют по характеру и степени последствий отказа. Так, если выходными параметрами считать состав и численность запаса, то можно рассматривать полное прекращение или частичное прекращение промысла, регулирование промысла по интенсивности и селективности, установление или изменение запретных сезонов и районов промысла, уровня естественного и искусственного воспроизводства и т.д.

15.1.5. Показатели долговечности оценивают продолжительность работоспособного состояния по отдельным параметрам или элементам системы управления рыболовством или системы в целом. В нашем случае целесообразно рассматривать и тот и другой случай. Вместе с тем учитывают, что долговечность системы управления рыболовством определяется, прежде всего, «долговечностью» запаса, его способностью сохранять «работоспособность» с учетом возможности поддержания «работоспособности» управлением запасами и рыболовством.

Основным показателем долговечности элемента системы или долговечности по отдельным параметрам системы служит срок службы элемента. Долговечность связана с переходом выходного показателяэлементаза допустимые пределы(или) при отказе элемента или системы.

Значение определяется равенством() и случайным процессомпотери «работоспособности» элемента или системы управления рыболовством.

Срок службы является случайной величиной с некоторым законом распределения, например, плотностью вероятностии численными характеристиками - математическим ожиданиеми дисперсией.

Рис. 15.1. Формирование закона распределения безотказной работы системы управления рыболовством. - начальное неслучайное значение выходного параметра;и- соответственно вероятность безотказной работы и вероятность отказа элемента системы или системы;- средняя наработка системы до отказа.

Если известно регламентированное значение вероятности безотказной работы , то соответствующее ему значениепревращается в неслучайную величину, которая называется гамма - процентным ресурсом (сроком службы). После периода работы элемента или системы необходимо регулирование соответствующего показателя или системы, чтобы не допустить отказа элемента или системы.

15.1.6. На рис. 15.1 показано формирование функции времени безотказной работы элемента системы (или системы в целом) с учетом нескольких функций параметра . Каждая из них соответствует различным условиям работы элемента или системы, закономерностям колебаний значений факторов, которые влияют на выходной показатель и т. д. Схема характерна для оценки «работоспособности» запаса, улова, пополнения, некоторых показателей селективности и т.д., когда потеря работоспособности обусловлена уменьшением параметра до предельного (допустимого) значения. Кроме этого, известны параметры, значения которых по мере потери работоспособности увеличиваются. Отказ в этом случае наступает при достижении уровня. К ним относятся, например, показатели естественной смертности, износа технических средств лова, необходимого промыслового усилия, ухода через ячею рыб промысловых размеров и т.д.

Часто работа одного элемента системы характеризуется несколькими показателями (процессами). Тогда этот элемент (процесс) может иметь несколько сроков службы в соответствии с причинами отказа элемента или процесса с учетом выходных параметров для оценки работы элемента или процесса. Формирование отказов происходит с учетом различных начальных условий, законов изменения выходных параметров системы во времени и протекания процессов в системе, предельных значений параметров.

15.1.7. Если рассматривают систему из многих элементов и с несколькими показателями работы, то долговечность системы зависит от срока службы отдельных элементов или процессов в системе. При этом особенно важно установить причины, которые определяют предельное состояние системы и продолжительность ее работы.

Так, работа систем управления рыболовством связана с процессами пополнения, роста, естественной смертности и промысловой смертности. Переход системы из работоспособного состояния в неработоспособное состояние может быть связан с серьезными нарушениями любого из этих процессов. Предельное состояние такой системы и отказ от промысла может быть связан с падением уловов, снижением качества улова, ростом энергопотребления, экономическими причинами и т.д.

Предельное состояние систем управления рыболовством все чаще увязывают с экономическими показателями, т.к. снижение работоспособности системы обычно приводит обычно к ухудшению экономических показателей работы системы.

Для некоторых систем управления рыболовством существует критическая длительность эксплуатации, например, когда на организацию промысла затрачены значительные средства и срок их окупаемости велик.

Показателем долговечности системы управления рыболовством иногда служит также коэффициент использования системы. Он равен отношению времени работы системы за некоторый период эксплуатации системы к этому же времени плюс времени, в течение которого систему по каким- либо причинам не эксплуатируют.

15.1.8. Снижение и потерю системой управления рыболовством работоспособности целесообразно рассматривать с учетом состояния трех подсистем - запаса, средств лова и условий внешней среды в водоеме. Так, потеря работоспособности может быть связана с неблагоприятным изменением численности и состава запаса под влиянием внутренних и внешних факторов. В некоторых случаях потеря работоспособности происходит из-за недостатков технических средств лова или их несоответствия требованиям как к средству лова, при неблагоприятных условиях лова. В современных условиях все большее значение приобретают снижение или потеря работоспособности системы при ухудшении экологической обстановки. В свою очередь, неблагоприятная экологическая обстановка, прежде всего, влияет на численность, состав и распределение запаса.

Очевидно, работоспособность системы управления рыболовством в наибольшей степени зависит от состояния запасов. Соответственно, как показано выше, потерю работоспособности рассматриваемой системы можно увязать с основными факторами, влияющими на состояние запасов - пополнением, ростом, естественной и промысловой смертностью. Снижение или потеря работоспособности системы происходит, когда естественная и промысловая смертность превышает прирост биомассы. Иногда снижение работоспособности системы вызывает неблагоприятное изменение видового и размерного состава рыб, распределения запасов в водоеме.

15.1.9. Имеют значение скорость и продолжительность протекания процессов, которые влияют на работоспособность системы управления и характер отказов.

По первому признаку различают быстропротекающие процессы, процессы средней скорости и медленные процессы.

С учетом специфики систем управления рыболовством к быстропротекающим процессам отнесем процессы длительностью от одного цикла лова до нескольких суток. Они могут быть связаны, например, с падением уловов или прекращение промысла, вызванных неблагоприятным распределением объекта лова в районе лова, ошибками в выборе места лова, неблагоприятными условиями внешней среды (сильные волнение, ветер, течение).

К процессам средней скорости отнесем процессы длительностью до одного года, связанные с месячными и сезонными колебаниями состояния запаса, условий внешней среды, распределения запаса и промысла в пространстве и времени. Наиболее важными причинами снижения работоспособности системы могут служить вызванные случайными причинами трудности использования запаса, серьезные и длительные ошибки в распределении промысла, продолжительные неблагоприятные изменения условий внешней среды.

Быстропротекающие процессы и процессы средней продолжительности в системах управления рыболовством характерны и для систем управления промыслом.

Медленные процессы в системах управления рыболовства имеют продолжительность несколько лет. Они связаны, прежде всего, с долгопериодическими колебаниями запасов, обусловленными колебаниями пополнения и роста рыб, восстановлением запасов после периодов с большой естественной и промысловой смертностью, длительным ухудшением условий внешней среды и т.д. К медленным процессам можно отнести также процессы старения объектов лова и технических средств лова, которые влияют на работоспособность системы управления рыболовства.

15.1.10. Их краткого анализа работоспособности элементов системы и самой системы управления рыболовством следует, что ряд процессов в системе приводит к отказам системы, т.е. к полной потере работоспособности системы, другие - к частичной потере работоспособности системы в связи с ухудшением некоторых характеристик системы, ее выходных параметров. Во втором случае рассматривают параметрическую надежность систем или ее элементов.

Основная задача параметрической надежности заключается в оценке параметров элементов системы и их влияния на выходные параметры системы в целом, установлении допустимых значений параметров. Выход параметров элементов системы и самой системы за допустимые пределы означает серьезное снижение работоспособности системы и часто является основанием для регулирования некоторых процессов в системе.

15.1.11. Важным преимуществом применения теории надежности в теории рыболовства можно считать тесную связь надежности и функционирования всех элементов такой системы - запаса, условий внешней среды, технических средств. Как и в других случаях, системный подход способствует повышению эффективности рыболовства.