автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка алгоритма управления устойчивым лесопользованием

Введение.

Глава 1. Анализ подходов к устойчивому управлению лесами Российской Федерации.

1.1. Концепции устойчивого управления лесами в современных условиях.

1.2. Критерии устойчивого управления лесами и возможности их использования.

1.3. Способы получения математических моделей состояния лесного фонда.

1.4. Общая формулировка задачи управления состоянием лесного фонда.

Выводы.

Глава 2. Разработка математической модели состояния лесного фонда.

2.1. Анализ факторов, влияющих на состояние лесного фонда.

2.2. Разработка критерия состояния лесного фонда

2.3. Методика получения топологической модели состояния лесного фонда.

2.4. Математическая модель исследуемого объекта.

Выводы.

Глава 3. Разработка регрессионной модели состояния лесного фонда.

3.1. Определение размерности пространства факторов.

3.2. Получение регрессионной модели закона управления устойчивым лесопользованием.

3.3. Определение управляющих координат модели состояния лесного фонда.

Выводы.

Глава 4. Разработка алгоритма управления лесопользованием с позиции устойчивого развития лесов.

4.1. Выбор оптимальных параметров управления.

4.2. Разработка алгоритма управления и рекомендаций по устойчивому управлению лесами

Выводы.

1. Актуальность темы

Лес - одна из самых важных составляющих среды обитания человека. На территории Российской Федерации леса являются преобладающим элементом окружающей природной среды. Они занимают более 2/3 площади суши страны. Общий запас российской древесины составляет более 1/5 от мирового. Своими размерами и разнообразием экологических и социально-экономических функций леса образуют основу всех природных комплексов страны. Участвуя в глобальном кругообороте основной части парниковых газов (углекислый газ и водяной пар), леса определяют глобальную составляющую экологической безопасности населения России и сопредельных стран. Воздействуя на баланс воды, плодородие почв, биологическое разнообразие, леса являются также источник/ о w ком многочисленной лесной продукции, основной из которой является древесина [45].

Сохранение лесов и повышение их продуктивности - одно из необходимых условий устойчивого развития общества. Проблема рационального использования природных ресурсов в мире в интересах удовлетворения потребностей человечества привлекает пристальное внимание общественности. Необходимость ее решения становится все более очевидной по мере развития производства, научно-технического прогресса, роста народонаселения и увеличения культурных и социальных запросов людей.

Основное воздействие лесов на окружающую среду заключается в стабилизации природных процессов. Леса регулируют сток воды, интенсивность таяния снега, выравнивают температурный режим, выделяют кислород, гасят шумы. Все функции леса выполняют повсеместно и они должны выполняться наиболее интенсивно, более того, поддерживаться на должном уровне в целях достижения максимального эффекта.

Вместе с тем, придавая большое значение полезным свойствам леса, было бы неправильно противопоставлять их разумной хозяйственной деятельности. При ведении лесного хозяйства в соответствии с принципами и критериями устойчивого управления состоянием лесного фонда хозяйственная деятельность не противоречит сохранению полезных свойств леса, а, наоборот, ведет к их усилению.

Для обеспечения рационального неистощительного пользования лесными ресурсами, стабилизации работы лесопромышленного комплекса и перехода лесного сектора к устойчивому развитию необходимо проведение долгосрочных прогнозных расчетов динамики лесного фонда и объемов возможного лесопользования .

В настоящее время для анализа уровня ведения лесного хозяйства, состояния и динамики лесного фонда, используются следующие показатели: общий запас, общая площадь, прирост, породный состав и т.д. На сегодняшний день единственным поставщиком комплексной информации является лесоустройство, ежегодные объемы которого снизились за последние годы в России более чем в 2 раза, примерно в этой же пропорции сократилась численность ле-соустроителей. На фоне резкого сокращения объемов лесоустройства из-за недостатка финансирования, а на самом деле из-за недооценки значимости лесоустройства, до критического уровня были упрощены технологии инвентаризации, снижены требования к технической основе современного лесоустройства.

Возрастающий спрос на полезные функции и ресурсы леса требует соответствующей интенсификации и совершенствования организации лесного хозяйства. Следовательно, на данном этапе развития основной задачей является более рациональное использование лесных ресурсов, которое невозможно без оперативного устойчивого управления лесами, основным принципом которого является принцип непрерывного неистощительного лесопользования. Рациональное многоцелевое пользование лесом достигается соответствующей организацией лесного хозяйства, ведение которого требует комплексной оценки состояния лесного фонда.

Для оценки состояния лесного фонда, в соответствии с утвержденной "Концепцией перехода Российской Федерации к устойчивому развитию", на основании Лесного кодекса [32] Федеральной службой лесного хозяйства России, утверждены "Критерии и индикаторы устойчивого управления лесами России" (6 критериев и 36 индикаторов) [28], которые реализуются на уровне практического ведения лесного хозяйства. Критерии и индикаторы, с одной стороны, представляют собой рабочий инструмент управления лесами, который должен совершенствоваться, с другой, являются механизмом контроля и воздействия на систему устойчивого управления.

Данные критерии и индикаторы имеют некоторые недостатки, к которым можно отнести их большое количество, сложность определения значений некоторых индикаторов, отсутствие тесной взаимосвязи между критериями и индикаторами, большинство индикаторов выражаются в абсолютных единицах, что не позволяет сопоставлять различные объекты.

Это означает, что в настоящее время при использовании данных критериев и индикаторов контроль за состоянием лесного фонда ослаблен, отсутствует его объективная оценка.

В связи с отсутствием достаточного научного обоснования данного направления оценка проводимых лесохозяйственных и лесоэксплуатационных мероприятий фактически не осуществляется лесхозами, управлениями лесами и другими лесохозяйственными органами.

Возможность выработки единого информационного критерия состояния лесного фонда позволит избежать недостатков в оценке устойчивого ведения лесного хозяйства, а также позволит повысить эффективность использования лесных ресурсов, разработать алгоритм оптимального управления состоянием лесного фонда и комплекс практических рекомендаций, позволяющий регулировать, контролировать и управлять состоянием лесного фонда.

2. Цель диссертационной работы

Синтез многосвязной системы управления, обеспечивающей оптимальное управление состоянием лесного фонда: минимальное отклонение от устойчивого значения интегрального показателя состояния лесного фонда; разработка алгоритма управления устойчивым лесопользованием и хозяйственных рекомендаций устойчивого управления лесами.

3. Основные задачи работы

К основным задачам диссертационной работы относятся: исследование факторов, влияющих на состояние лесного фонда для идентификации объекта управления; определение интегрального показателя состояния лесного фонда с учетом критериев и индикаторов устойчивого управления лесами России; структурная идентификация объекта управления топологическим методом; параметрическая идентификация объекта управления методом регрессионного анализа; выбор и обоснование метода оптимизации управления состоянием лесного фонда; разработка алгоритма управляющих воздействий на состояние лесного фонда и комплекса практических рекомендаций, позволяющего поддерживать устойчивое управление эксплуатационными лесами.

4. Методы исследования

В диссертационной работе использовались методы системного анализа, теории графов, теории множеств, матричного исчисления, математического моделирования, регрессионного анализа, симплексный метод.

Результаты работы получены с помощью следующих программных пакетов: MatLab 5.2 (работа с матрицами), MathCAD 2000 (получение математической модели), Excel 2000 (расчет коэффициентов регрессионной модели, проведение дополнительной регрессионной статистики), Mapel 6.0 (решение задачи линейного программирования симплекс-методом).

5. Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем: предлагается рассматривать лесной фонд, а именно его состояние как многосвязный объект управления; на основании анализа лесного фонда выявлены основные факторы, влияющие на его состояние; разработан интегральный показатель состояния лесного фонда с учетом критериев и индикаторов устойчивого управления лесами России и определено его устойчивое значение; использован метод С-графов при структурной идентификации объекта управления, в результате получена аналитическая модель, описывающая состояние лесного фонда; разработаны алгоритм управления устойчивым лесопользованием и комплекс практических рекомендаций, позволяющий поддерживать устойчивое управление эксплуатационными лесами в условиях Сибирского региона.

6. Положения, выносимые на защиту комплекс оценочных факторов и интегральный критерий состояния лесного фонда; математические модели состояния лесного фонда; алгоритм управляющих воздействий на состояние лесного фонда; комплекс рекомендаций по совершенствованию управления лесопользованием.

7.Практическая ценность

Разработанная модель позволяет объективно оценивать состояние лес-фонда, регулярно контролировать это состояние, его устойчивость и вносить корректировку в различные виды хозяйственной деятельности, то есть управлять состоянием лесных ресурсов. Данная система может применяться как для отдельного предприятия (лесхоз, леспромхоз), так и для региона в целом.

За счет использования интегрального критерия оценки состояния лесного фонда, возможно повышение эффективности лесосырьевых ресурсов, эксплуатации лесного фонда с целью получения наибольшего экономического эффекта.

Полученная модель лесного фонда позволяет оценивать уровень использования лесных ресурсов, регулировать степень хозяйственного, рекреационного воздействий и другие факторы.

8. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Братского государственного технического университета (XXII научно-техническая конференция. -Братск, 2001; "Естественные и инженерные науки - развитию регионов". -Братск, 2002, 2003); на межрегиональной научно-практической конференции "Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе" (-Братск, 2002); публиковались на международной научно-технической конференции «Лес-2003» (-Брянск, 2003).

9. Публикации

По теме диссертаций опубликовано 11 работ, в том числе 7 статей, 4 тезиса докладов.

10. Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 127 страниц основного текста, 29 рисунков, 8 таблиц. Список литературы содержит 80 наименований.

120 Выводы

1. С помощью t-критерия Стьюдента определены значимые коэффициенты регрессионной модели. Таким образом, значимыми коэффициентами исследуемой модели состояния лесного фонда являются: bi (при S -породный состав леса), Ь2 (при G -средний класс бонитета), Ь4 (при Щ - естественный отпад), Ьз (при П2 - пожары), Ь7 (при ГЦ - загрязнения), bg (при П5 - рекреационная нагрузка) и Ь9 (при ХВ - хозяйственное воздействие).

2. Построены графики зависимости интегрального показателя состояния лесного фонда от отдельных факторов и суммарное значение критерия по уравнению регрессии, позволяющие проанализировать влияние каждого фактора на выходной параметр.

3. Найдены значения параметров модели исследования при минимальном отклонении интегрального показателя состояния лесного фонда от его устойчивого значения.

4. Математическая модель состояния лесного фонда разработана таким образом, что все коэффициенты, входящие в нее являются управляемыми. Исходя из этого, разработана функциональная схема управляющих воздействий на состояние лесфонда и на ее основе построен алгоритм управления состоянием лесного фонда.

5. Разработан комплекс практических рекомендаций, позволяющий поддерживать устойчивое управление эксплуатационными лесами в условиях Сибирского региона.

121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы следующие:

1. Предлагается рассматривать модель состояния лесного фонда как многосвязную систему управления.

2. Исходными данными при моделировании служат показатели состояния лес-фонда, описывающие его структуру, факторы, нарушающие экологическое равновесие, оценивающие хозяйственное воздействие на леса.

3. Определен интегральный показатель состояния лесного фонда с учетом критериев и индикаторов устойчивого управления лесами России, установлено его значение, при котором происходит устойчивое развитие лесного хозяйства.

4. Применение топологического метода позволило представить модель состояния лесного фонда в виде структурного графа, который может быть описан в виде общего матричного уравнения системы, характеризующего зависимости факторов, влияющих на состояние лесного фонда.

5. Понижение размерности общего матричного уравнения С-графа позволило обоснованно выбрать минимальное число наблюдаемых параметров объекта и на их основе получить регрессионную модель закона управления устойчивым лесопользованием.

6. Анализ регрессионной модели показал адекватность полученной модели реальному физическому процессу при заданных условиях исследования, что позволило перейти к решению задачи оптимального управления.

7. Решение задачи оптимального управления с помощью симплекс-метода позволило найти оптимальные значения входных параметров системы.

8. Разработан алгоритм управляющих воздействий на состояние лесфонда, позволяющий разработать и реализовать механизм непрерывного контроля за состоянием лесного фонда с возможностью управления этим состоянием.

9. В результате работы предложен комплекс практических рекомендаций, позволяющий регулировать, контролировать и управлять состоянием лесного фонда.

1. Алпатов Ю.Н. Синтез систем управления методом структурных графов. -Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1988. -184 с.

2. Анучин Н.П. Теория и практика организации лесного хозяйства. -М.: Лесн. пром-сть, 1977. -176 с.

3. Анфилатов B.C. и др. Системный анализ в управлении: Учеб. Пособие, М.: Финансы и статистика, 2002. - 368 е.: ил.

4. Барковский В.В., Захаров В.Н., Шаталов А.К. Методы синтеза систем управления. М.; Машиностроение, 1969. -323 с.

5. Берж К. Теория графов и ее применение. М.: Изд-во иностр. лит. 1962. -319 с.

6. Бихеле З.Н., Молдау Х.А., Росс Ю.К. Математическое моделирование транспирации и фотосинтеза растений при недостатке почвенной влаги. -Л.: Гидрометеоиздат, 1980. -223 с.

7. Борисов В.А. Древесных пород в мире становится все меньше. -М.: ВНИ-ИЦлесресурс, -25 с.

8. Вавилов А.А., Имаев Д.Х., Родионов В.Д. и др. Машинные методы расчета систем автоматического управления. Л.: ЛЭТИ, 1978. -114 с.

9. Вагнер Г. Основы исследований операций, т.1. -М.: «Мир», 1972; Т.2-3. -М.: 1973.

10. Верхунов П.М., Моисеев Н.А., Мурахтанов Е.С. Лесоустройство: Учебное пособие. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. -444 с.

11. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. 2-е изд., перераб. М.: Энергия, 1980. -312 с.

12. Гордина Н.П., Ерохина З.А. Лесоведение: Учебное пособие. -Красноярск: СибГТУ, 2002.-216 с.

13. Государственный доклад. О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 1999 году. -Иркутск: 2000.14.