Глава 16. Методы и модели управления рыболовством с применение теории управления сложными системами и исследования операций

16.1. Принципы управления рыболовством с применением теории управления сложными системами и исследования операций

16.1.1. Известны многочисленные специфичные методы управления запасами промысловых рыб и рыболовством, характерные, прежде всего, для рыбохозяйственных исследований. Такие методы рассмотрены в предыдущих главах. Кроме них, задачи теории рыболовства можно решать с применением общенаучных подходов. Наиболее перспективные из них основаны на применении методов управления сложными системами и исследования операций.

Под исследованием операций понимают науку с применением общенаучных принципов, методов и средств изучения операций и систем, в т.ч. изучения сложных систем управления различными процессами. Промежуток времени функционирования системы и выполнение при этом системой определенной задачи принято называть операцией. В системах управления протекает одна, а чаще несколько операций.

Выполнение операции предполагает возможность воздействия на результат операции. В задачах исследования операций не менее часто используют более широкое понятие - процесс. При этом операцией называют управляемый процесс.

Основная задача исследования операций - предварительное количественное обоснование оптимальных решений. Окончательное принятие решений выходит за рамки исследования операций и относится к компетенции лица или группы лиц, принимающих решение (ЛПР). Они, кроме результатов исследования операций, при принятии окончательного решения могут учитывать ряд собственных соображений количественного и качественного характера. Таким образом, в процессе исследования операций готовят количественные данные и рекомендации, которые облегчают человеку принять решения, например, решения о рациональном использовании запаса рыб.

При исследовании операций и принятии решений учитывают, что, кроме лиц, принимающих решение с целью оптимизации работы системы, иногда действуют и другие субъекты для достижения своих часто противоположных целей.

Система управления рыболовством содержит биологический объект, относится к сложным системам с высокой степенью неопределенности функционирования, которые изучают в кибернетике. Соответственно, операции в нашем случае рассматривают в сложных кибернетических системах.

Именно такой подход позволяет использовать для управления рыболовством многие идеи и методы фундаментальных наук.

Методы теории управления рыболовством на основе системного подхода и исследования операций рассмотрены в этой главе в самом общем виде и соответствуют современным знаниями в этой области рыбохозяйственной науки.

Важно постепенно расширять область применения такого подхода по мере повышения общего уровня рыбохозяйственных исследований. В этом отношении примером может служить развитие теории лова на основе биотехнического системного подхода к процессам лова.

16.1.2. Задачи исследования операций в системах управления рыболовством можно разделить на две основные группы.

При решении задач первой группы показатели состояния запасов известны, и необходимо выбрать оптимальные методы их использования.

В задачах второй группы выбирают оптимальные показатели состояния запасов. Эти задачи, как правило, сложнее первых, т.к. с изменением состояния запасов изменяются выходные параметры их использования.

16.1.3. Наиболее важные особенности решения задач управления рыболовством методами исследования операций и кибернетическими методами:

• самое широкое применение системного подхода;

• исследование систем управления запасами и рыболовством как больших систем с многоуровневой иерархической структурой;

• изменение состояния элементов систем и систем в целом в процессе эксплуатации под действием внутренних и внешних факторов;

• введение в системы управления рыболовством систем управления ловом и промыслом;

• оценка операции и работы систем обычно несколькими показателями управления;

• разработка систем управления на основе принципов эффективности, оптимальности и адаптации;

• накопление (хранение), переработка и передача информации внутри элементов системы и от одного элемента системы к другому в процессе создания и эксплуатации систем;

• математическое моделирование процессов с применением теоретических, полуэмпирических и экспериментальных исследований;

• использование моделей для построения, регулирования и контроля параметров систем, прогнозирования работы систем;

• широкое сочетание при математическом моделировании систем функциональных (детерминированных) и вероятностных зависимостей и т.д.

• решение некоторых типов задач, характерных для исследования операций - распределительных, управления некоторыми видами запасов (не обязательно промысловых рыб), массового обслуживания, упорядочения, поиска, выбора оптимальных режимов работы, состязательных и т.д.

16.1.4. Конечной целью исследований на рассматриваемой основе является отыскание оптимальных решений (оптимального управления системой). Решения обычно соответствуют оптимальному значению некоторого выходного параметра системы (целевой функции, функции качества) при заданной системе ограничений параметров. Важно, что в системах управления рыболовством часто отыскивают не оптимальные, а приемлемые решения.

Полное описание кибернетической системы, в том числе при исследовании операций в системе, в общем случае должна включать:

• начальную структуру системы;

• начальное состояние элементов системы;

• семейство функций, определяющих все входные показатели элементов (от других элементов и внешней среды);

• семейство функций, определяющих изменение состояния всех элементов системы;

• семейство функций, описывающих изменения структуры системы.

Если хотя бы некоторые из функций в описании кибернетической системы относятся к случайным функциям, то систему называют вероятностной. В противном случае систему считают детерминированной системой. К кибернетическим системам условно относят также системы с очень высокой степенью неопределенностью протекающих в них процессов. Как показано в гл. 9, такие процессы по разным причинам нельзя описать ни детерминированными, ни вероятностными соотношениями. В этом случае решения принимают в условиях так называемой нестохастической неопределенности, когда часто используют лингвистические (словесные) оценки.

16.1.5. В общем случае исследование операций в системе управления рыболовством делят на следующие основные этапы:

• разработка схемы системы управления рыболовством;

• выбор показателей и критериев управления;

• составление математической модели операций;

• определение и сбор информации для исследования моделей;

• исследование математической модели (задачи) для отыскания оптимального решения.

16.1.6. В системах управления рыболовством управляемым элементом обычно является совокупность популяций рыб, управляющим элементом - средства лова рыбы, полем управления - внешняя среда в водоеме. Совокупность популяций промысловых рыб состоит из популяций рыб одного вида, а те, в свою очередь, - из групп рыб разного размера, возраста, веса и пола.

Как показано ранее, наиболее важными в облавливаемой совокупности популяций рыб являются процессы пополнения, роста, естественной и промысловой смертности. В каждом из перечисленных процессов протекают, в свою очередь, разнообразные процессы более низкого иерархического уровня. Для каждого уровня можно установить показатели эффективности, в т.ч. показатели оптимальности процесса, которые иногда объединяют в один показатель эффективности, например, в экономический показатель.

В системах управления рыболовством к основным показателям относятся управляемые переменные, управляющие воздействия и возмущающие воздействия.

Управляемыми переменными при решении основной задачи являются величина и состав запаса и улова.

К управляющим воздействиям относятся, прежде всего, интенсивность и селективность рыболовства, выбор времени и места промысла. Каждое из этих воздействий можно оценить рядом показателей. Например, интенсивность рыболовства оценивают различными абсолютными и относительными показателями промыслового усилия. Селективность рыболовства характеризуют несколькими показателями селективности орудия лова и промысла.

К возмущающим воздействиям относят многочисленные воздействия на популяции рыб (абиотические факторы, кормовая база, хищники, болезни). Такие воздействия влияют на состояние запаса, и часто они не поддаются целенаправленному изменению. К ним относятся также некоторые факторы воздействия на промысел (ветры, волнение, течения, отказы и неисправности технических средств лова и т.д.).

В системах управления рыболовством обычно рассматривают несколько управляемых переменных, управляющих и возмущающих воздействий. Соответственно, рассматриваемый процесс управления относится к многомерным процессам.

16.1.7. Конкретная цель управления рыболовством - получение эффективной работы системы управления рыболовством при заданных условиях ее существования, ограничениях на управляемые и управляющие переменные. Эффективность работы системы увязывают, например, с состоянием запасов, с величиной и составом улова, величиной промыслового усилия, затратами на промысел и т.д. Эффективность работы системы обычно должна быть высокой за время не меньшее продолжительности жизни объектов лова.

16.1.8. Разработка наилучшей системы, удовлетворяющей поставленным требованиям и некоторым показателям и критериям эффективности рыболовства, представляет собой задачу синтеза системы управления. Решение задачи заключается в определении структуры и параметров системы, в т.ч. оптимальных управляющих воздействий (например, оптимальной интенсивности и оптимальной селективности рыболовства).

16.1.9. Неполнота информации о процессах в системах управления рыболовством часто требует использования принципа адаптации, т.е. получения, обработки и анализа информации непосредственно во время эксплуатации системы. Это снижает влияние неопределенности на качество управления и в некоторой степени компенсирует недостаток априорной информации.

16.1.10. В системах управления запасами и рыболовством обычно протекают вероятностные (стохастические) процессы. Показатели процессов определяют поиском на самих популяциях или на моделях. Сложность поиска на самих популяциях предполагает широкое применение методов моделирования.

Физическое моделирование систем с биологическим объектом часто невозможно. Биокибернетическое моделирование делает лишь первые шаги. Поэтому основным методом моделирования систем управления рыболовством является математическое моделирование с типичными для этого вида моделирования этапами.

В нашем случае решают задачи при неполной информации о процессах в системах управления. Соответственно, математическое описание систем управления запасами и рыболовства обычно является приближенным.

Выше перечислены основные составляющие полного математического описания кибернетической системы. С учетом особенностей систем управления рыболовством такое описание должно устанавливать связи между основными переменными системы в установившихся режимах (статические модели) и при переходе от одного режима к другому (динамические модели). Кроме того, она должна содержать оценку ограничений на процесс, показателей и критериев эффективности, а иногда других показателей управления.

16.1.11. Задачи исследования операций, в общем, решают с учетом нескольких показателей эффективности операции. Один из них часто считают основным, а другие используют как дополнительные. Так, основным часто считают величину и состав улова, состояние запаса, а дополнительными с учетом эффективности лова - некоторые показатели селективности лова и промысла, величину затрачиваемого промыслового усилия и т.д.

Большое число показателей эффективности затрудняет оценку результирующей эффективности, особенно, когда требования к показателям несовместимы. В этом случае, прежде всего, пытаются удовлетворить требования к основному показателю и оценить, насколько при этом выполняются требования к другим показателям. Кроме показателей эффективности, первостепенное значение имеют требования к показателям, которые содержат правила рыболовства и конвенционные соглашения.

В общем случае нельзя удовлетворить все требования к рыболовству. Иногда в таких случаях анализируют нескольких вариантов решения задачи и отбрасывают явно неудовлетворительные варианты. Сравнение вариантов оказывается полезным также для лучшего понимания задачи.

Часто при решении задачи принимают компромиссный вариант, который в наибольшей степени удовлетворяет требования ко всем показателям. При выборе компромиссного варианта учитывают неравноценность показателей и желание в известной степени удовлетворить требования к наиболее «ценным» показателям.

Большое значение имеет способ решения задачи с учетом экономического подхода. Так, можно считать целью получение максимального эффекта при заданных затратах или достижение заданного эффекта при минимальных затратах.

Известны способы объединения нескольких показателей в один, в том числе с использованием весовых коэффициентов, которые присваиваются отдельным показателям, Иногда при этом можно получить удовлетворительные результаты.

В общем, при любом способе решения задачи количественное обоснование не всегда определенно, и окончательное решение принадлежит лицу, принимающему решение.

16.1.12. При разработке математических моделей управления запасами и рыболовством на кибернетической основе учитывают, что управление тесно связано с изучением пополнения, роста, естественной и промысловой смертности рыб как основных «элементарных» процессов в рассматриваемых системах управления. Математического описание «элементарных» процессов (блоков) затем, при необходимости, объединяют в различные системы уравнений.

16.1.13. При кибернетическом подходе к управлению рыболовством также различают статическую и динамическую оптимизацию управления запасами и рыболовством.

Статическая оптимизация предполагает поддержание статического состояния системы и получение некоторых наилучших результатов управления в условиях, когда облавливаемая популяция и промысел находятся в установившемся состоянии. После изменения управляющих воздействий система может перейти в новое установившееся состояние. Иногда стационарным считают состояние системы при направленном изменении некоторых ее показателей, рассчитывая при этом периоды стационарности. За период стационарности направленные изменения показателей меньше их случайных колебаний (см. гл. 9).

При динамической оптимизации процесс регулирования поддерживают близким к оптимальному уровню не только в установившемся режиме, но и при переходе с одного режима в другой.

16.1.14. Все основные задачи оценки запасов, управления запасами и рыболовством связаны с исследованием эффективности рыболовства. Эту проблему рассматривают самостоятельно, но чаще как часть проблем исследования операций.

При оценке эффективности рыболовства определяют пригодность системы управления или способа ее применения в определенных условиях с учетом необходимого уровня эффективности.

В прикладных исследованиях эффективности рыболовства решают две основные проблемы:

• оценка эффективности рыболовства с использованием систем управления рыболовством (проблема оценки);

• выбор рационального способа (стратегии) использования систем управления рыболовством (проблема выбора).

Эффективность рыболовства оценивают для решения следующих задач:

• принятия решения о целесообразности практического использования известной системы управления рыболовством и способа ее применения в тех или иных условиях промысла;

• установления степени влияния различных промысловых и других факторов,взаимосвязи факторов на эффективность рыболовства;

• определения путей повышения эффективности рыболовства (выявления резервов повышения эффективности);

• оценки функциональных возможностей технических и других средств, действий персонала для регулирования рыболовства;

• сравнения нескольких альтернативных вариантов технических и других средств, действий, их расстановка по уровням эффективности.

В общей проблеме рационального выбора технических средств с учетом проблем регулирования и эффективности рыболовства, их использования или путей совершенствования выделим следующие задачи:

• выбор целесообразного способа управления техническими средствами лова с заданными функциональными характеристиками;

• определение рациональной эксплуатации средств лова;

• выбор рационального распределения ресурсов (материальных, трудовых и т.д.) между различными подсистемами или элементами технических средств;

• выбор системы управления ловом, в том числе орудий лова, средств механизации и автоматизации, промысловых судов;

• установление технико-экономических требований к разрабатываемым системам управления процессом лова;

• выдвижение гипотез о рациональном поведении подсистем системы управления процессом лова в различных условиях эксплуатации.

Таким образом, практическое значение исследований эффективности рыболовства заключается

• в выработке решений,направленных на рациональное использование средств воздействия на рыбу, для достижения поставленной цели в разных условиях рыболовства;

• в выборе целесообразного варианта разрабатываемой системы управления рыболовством.

16.1.15. Кроме общеизвестных в теории рыболовства задач, которые можно решать с применением идей и методов исследования операций и кибернетики, в теории операций рассматривают некоторые специфичные задачи, перечисленные выше.

Так, распределительные задачи решают при ограниченных ресурсах, недостаточных для решения задач управления рыболовством наилучшим образом. В нашем случае ограничение ресурсов может быть связано с величиной и составом запаса, распределением ресурсов в пространстве и времени, численностью и составом технических средств лова, производительностью, улавливающей способностью и надежностью орудий лова. При ограничениях, связанных запасами и техническими средств лова, необходимо теми или иными способами добиться наилучшего выполнения задач управления рыболовством, например, в отношении состава и численности улова.

В чистом виде задача управления запасами, как принято в задачах исследования операций, связана с оценкой количества технических средств, например, орудий лова, необходимых для нормального функционирования системы управления рыболовством. При этом определяют оптимальное количество технических средств, а иногда и его увеличения, с учетом затрат на «содержание» запаса и возможных простоев системы при отсутствии технических средств.

В некоторых случаях подобная постановка задачи возможна с учетом состояния промысловых запасов. Задача заключается в том, чтобы поддерживать необходимый уровень численности и состава запаса. При этом недостаточная и излишняя численность запаса, недостаток или излишек в запасе рыб некоторых видов и размеров приводит к снижению эффективности рыболовства. В этом случае необходимо оптимизировать величину и состав промыслового запаса, например, регулированием пополнения, интенсивности и селективности рыболовства с учетом экономических или других критериев оптимальности.

Во многих отраслях экономики часто решают задачи массового обслуживания в рамках систем массового обслуживания, т.е. систем, которые удовлетворяют заявки на облуживание разной продолжительности.

В принципе систему управления рыболовством можно считать иногда системой массового обслуживания, особенно, если система включает большое число промысловых единиц. Например, система является системой массового обслуживания, когда на промысловые суда поступают случайно заявки на рыбу или рыбную продукцию. Суда промысловой разведки иногда также могут входить в систему массового обслуживания, если они обслуживают в некоторой последовательности промысловые суда.

Несколько условно с теорией массового обслуживания можно увязать с «обслуживанием» промысловыми судами отдельных скоплений промысловых рыб. При этом такие скопления должны обслуживаться по некоторым признакам в разное и случайное время. Известны и другие задачи промысла, которые требуют применения теории массового обслуживания.

Непосредственно к задачам массового обслуживания примыкают задачи упорядочения. Эти задачи рассматривают выбор показателей обслуживания для оптимизации порядка обслуживания, времени обслуживания.

Задачи обслуживания при управлении рыболовством часто решают методами сетевого планирования, если операции лова, промысла и рыболовства выполняют в определенном порядке. К ним относят, например, некоторые операции лова, промысла, использования запасов, во взаимосвязи процессы пополнения, роста, естественной и промысловой смертности.

В задачах поиска отыскивают некоторые объекты, в т.ч. объект лова, промысловые скопления при ограниченных ресурсах. Необходимо найти такую процедуру поиска, при которой вероятность отыскания объекта максимальна. Наибольшее значение такая задача имеет в процессах поиска и разведки рыбы поисковыми и промысловыми судами.

Выбор оптимальных режимов работы как одна из задач исследования операций непосредственно связана

• с обслуживанием нескольких рыболовных систем или нескольких скоплений рыб одним судном;

• с отысканием наилучших графиков работы промысловых единиц (пооперационных, суточных, сезонных, годовых и т.д.);

• с особенностями перемещения орудий лова, в т.ч. при совместной работе и т.д.

Подобные задачи можно решать с учетом экономических показателей, располагаемого промыслового усилия, состояния запасов и других ограничений на лов, промысел и рыболовство.

Наконец, состязательные задачи исследования операций рассматривают, когда при управлении рыболовством имеются две или нескольких конкурирующих сторон, интересы которых противоположны. Многие из состязательных задач решают методами теории игр.