Введение к работе
Актуальность. Одной из основных проблем современного этапа раз7 вития водного хозяйства является проблема рационального использования и охраны водных ресурсов, острота которой обусловлена преобладающим в течение длительного периода экстенсивным направлением водохозяйственной политики. Следствием такого подхода является тот факт, что уже сегодня для многих речных бассейнов масштабы использования воды стали сравнимы с наличными запасами и, как результат - напряженная водохозяйственная ситуация, а в некоторых бассейнах и дефицитность водохозяйственного баланса, усугубляемая продолжающимся загрязнением поверхностных вод. Сохранение экстенсивного подхода к использованию водных ресурсов в дальнейшем превратится в сдерживающий фактор развития производительных сил и приведет к возникновению многочисленных социально-экономических и экологических проблем.
Возникает объективная необходимость перехода к интенсивному направлению развития водного хозяйства, обеспечивающему более полное, эффективное и комплексное использование водных ресурсов. Такой подход должен учитывать не только потребности в воде со стороны общества, но и возможности природной среды.
Принципиальная особенность нового подхода к управлению водными ресурсами - формирование и развитие водохозяйственных систем (ВХС) в пределах отдельных речных бассейнов и регионов, объединяющих совокупность источников воды, сооружения для управления ими и водопользователей, в интересах которых создается ВХС. Цели функционирования и развития ВХС, являющихся одновременно элементами социально-экономической и природной систем, должны гарантировать решение задач рационального использования водных ресурсов и охраны их от загрязнения и истощения. При таком подходе решение проблемы, рационального использования водных ресурсов рассматривается как часть более общей проблемы развития и функционирования ВХС.
Сложность организационной структуры ВХС, развитие их внутренних и внешних связей требуют разработки адекватных систем управления, основанных на применении совершенных информационных технологий, созданных на базе современных методических подходов, математических моделей и методов. Предпосылкой развития и внедрения информационных технологий в управление водными ресурсами является совершенствование технической базы процесса управления, создающее в свою очередь основу для развития новых технологий, ориентированных на автоматизацию обработки, информации и развитие процедур активного поиска недостающих данных, создание информационно-советующих систем поддержки принятия ре-
шений, объединяющих знания в различных предметных областях и ориентированных на хонкретных специалистов, ответственных за подготовку и принятие решений.
Таким образом, актуальность исследований в области создания и применения автоматизированных систем поддержки принятия решений в управлении водными ресурсами обусловлена как совершенствованием технической основы процесса управления, так и усложнением содержания самого процесса управления, требующего обработки значительных объемов информации, оперативности, многовариантности, оптимальности принимаемых решений. В дальнейшем такие человеко-машинные системы должны стать основной формой информационного обеспечения процесса управления водными ресурсами.
Цель и задачи исследовавши. Основной целью диссертационных исследований является совершенствование методологии управления использованием водных ресурсов на основе создания и внедрения автоматизированных информационно-советующих систем поддержки принятия решений (АИСС ППР).
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
систематизировать и теоретически обобщить опыт, накопленный в области создания и технической реализации автоматизированных информационно-советующих систем;
обосновать принципы и методы создания АИСС ППР в управлении использованием водных ресурсов;
разработать методические и технологические основы подготовки и принятия управляющих решений в условиях внедрения АИСС ППР.
разработать систему моделей, алгоритмов и программ для решения задач управления использованием водных ресурсов;
создать действующую автоматизированную информационно-советующую систему поддержки принятия решений для управления водными ресурсами бассейна крупной реки;
провести комплексные исследования процесса управления водными ресурсами в условиях функционирования АИСС ППР;
на основе обобщения практического опыта создания и функционирования АИСС ППР разработать унифицированные локальные интерактивные системы для внедрения в деятельность бассейновых органов государственного управления водными ресурсами.
Методология нсследовашй. Методологическую основу исследований составляют: теория и практика регулирования стока, управления использованием и охраной водных ресурсов; теоретические и практические аспекты создания и применения математических моделей в планировании развития и
функционирования сложных ВХС; теоретические аспекты создания автоматизированных систем управления; методы и средства сбора, обработки и передачи информации; фундаментальные исследования в области создания человеко-машинных управляющих систем; опыт создания и применения программных моделирующих комплексов, информационно-советующих систем в управлении водными ресурсами.
Для решения сформулированных в диссертационной работе задач использовались методы системного анализа, теории оптимальных решений, математической статистики, имитационного моделирования.
Научная воввзва, освоввые положения выносимые ва защиту. Исследования теоретических и прикпадньк задач создания и применения АИСС ППР, информационных технологий в управлении использованием водных ресурсов позволили получить новые научные результаты,,выносимые на защиту.
-
Методологические принципы создания автоматизированных информационно-советующих систем поддержки принятия решений в управлении использованием водных ресурсов.
-
Система математических моделей, алгоритмов и программ поддержки процесса принятия и согласования решений для управления использованием водных ресурсов большой (сложной) ВХС. Новизна разработанного модельного комплекса заключается в оригинальности подходов, моделей, алгоритмов и программ, единстве информационного, математического и программного обеспечения системы моделей, сочетании оптимизационных и эвристических процедур в алгоритмах подготовки управляющих решений, целевой направленности на решение практических задач управления использованием водных ресурсов.
3. Автоматизированная информационно-советующая система под
держки принятия решений по управлению использованием водных ресурсов
ОВХС бассейна р,Цон, включающая локальные информационно-советую
щие системы нйжне-донской и северско-донецкой ВХС и комплекс процедур
согласования планово-управляющих решений. Новизна подхода к созда
нию АИСС состоит в реализации бассейнового подхода к управлению вод
ными ресурсами в условиях трансграничного водного объекта.
-
Результаты исследований по автоматизации имитационного моделирования ВХС. Новизна подхода состоит в применении базовой имитационной модели ВХС и технологии создания на ее основе.конкретных бассейновых версий моделей.
-
Метод классификации водных объектов на основе ситуационного анализа водохозяйственной обстановки и качества вод. Предложенный метод основан на применении автоматизированных информационных техно-
логий расчета водохозяйственных балансов и интегральной оценки качества вод.
6. Практические рекомендации по уточнению параметров и режимов функционирования элементов ОВХС бассейна рДон.
Практическая значимость. В результате исследований решается актуальная народнохозяйственная задача совершенствования механизма государственного управления использованием водных ресурсов на основе разработки и внедрения АИСС ППР, информационных технологий, соответствующих современным тенденциям развития водного хозяйства.
Разработан комплекс моделей, алгоритмов и программ, на основе которого создана АИСС поддержки принятия решений по управлению использованием водных ресурсов ОВХС бассейна р.Дон, обеспечивающая подготовку советующих материалов для экспертов (ЛГЇР) по вопросам анализа перспективного и текущего состояния водохозяйственной системы, оценки вариантов водохозяйственных политик, выбора текущих и оперативных режимов функционирования ОВХС и ее элементов. Система информационного обслуживания обеспечивает постоянное пополнение информационного фонда АИСС ППР, создавая основу для регулярного решения задач. Алгоритмическое обеспечение задач построено на применении имитационного и оптимизационного подходов, что в сочетании с интерактивными принципами построения программного обеспечения создает возможность участия специалистов-технологов (ЛПР) практически на любой стадии подготовки планово-управляющих решений.
Практическим приложением исследований в области создания автоматизированных систем поддержки принятия решений явилась разработка ряда локальных информационно-советующих и информационно-технологических комплексов, предназначенных для применения в практической деятельности бассейновых органов государственного управления водными ресурсами.
Результатом диссертационных исследований в области применения метода имитационного моделирования к исследованию сложных водохозяйственных систем является разработка базовой имитационной модели и машинной технологии, обеспечивающих генерацию конкретных версий моделей ВХС. Разработана интерактивная программная система технологического обеспечения метода классификации водных объектов на основе ситуационного анализа водохозяйственной обстановки и качества вод, обеспечивающая ранжирование водных объектов с позиций очередности выполнения природоохранных мероприятий с учетом знаний и опыта экспертов. Получены практические рекомендации по уточнению режимов функционирования ОВХС и ее элементов, как результат применения разработанных информационных технологий.
Реализация результатов диссертационной работы. Исследования выполнялись с 1975 г. сначала в Южном НИИ гидротехники и мелиорации, а затем в Северо-Кавказском филиале Российского НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов. По мере завершения отдельных этапов исследований их результаты после прохождения опытной эксплуатации на конкретных объектах внедрялись в деятельность эксплуатационных и проектных водохозяйственных организаций.
Автоматизированная информационно-советующая система поддержки принятия решений по управлению использованием водных ресурсов ОВХС бассейна рДон внедрена в деятельность Донского и Северско-Донецкого (Украина) бассейновых водохозяйственных объединений (ДБВО, СДБВО) и их областных подразделений (1988-1995 гг.), обеспечивая реализацию единой политики управления водными ресурсами в бассейне и являясь основой выполнения Соглашения между правительствами Украины и России о совместном использовании и охране трансграничных водных объектов (Киев, 19.10.92), в части бассейна р.Северский Донец.
Базовая имитационная система и технология моделирования ВХС внедрены в составе САПР института Росгипроводхоз (1987 г.). Технология имитационного моделирования апробирована при создании конкретных имитационных моделей ВХС:
бассейна р.Белой в Башкирии при разработке проекта Иштуганов-ского водохранилища (Южгипроводхоз, 1984 г.);
бассейнов рек Амур, Чусовая, Чулым, Дон при разработке Схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов СССР до 2005 г. (Росгипроводхоз, 1985 г., Южгипроводхоз, 1987 г.).
Ряд локальных информационно-советующих и информационно-технологических комплексов: моделирования водохозяйственных балансов, интегральной оценки качества вод, расчета платежей за использование воды, обобщения лимитов забора воды внедрены в ряде бассейновых водохозяйственных управлений РФ (приказы Роскомвода N 102 от 08.10.92 и N 117 от 13.07.94).
Метод классификации водных объектов и его технологическое обеспечение использованы при подготовке Донского бассейнового соглашения об основных принципах совместного использования, воспроизводства и охраны водных ресурсов (ДБВО, 1994,1995 гг.).
Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 40-й научно-технической конференции научно-исследовательских и проектно-изыскательских институтов системы Минсельхоза СССР и Минводхоза РСФСР "Рациональное использование орошаемых земель" (^Новочеркасск, 1979 г.), Республиканской научно-технической конференции ученых и
специалистов водного хозяйства 'Внедрение НИР в водное хозяйство" (г.Ташкент, 1981 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Системные исследования водных проблем" (г.Москва, 1982 г.), региональной научно-практической конференции по вопросам совершенствования эксплуатации и управления гидромелиоративными системами (г.Новочеркасск, 1985 г.), региональной школе-семинаре "Управление эколого-экономическими системами" (г.Тебер-да, 1985 г.), Всероссийском совещании-семинаре "Проблемы формирования региональных объединенных водохозяйственных систем" (г.Свердловск, 1985 г.), Всесоюзном совещании по охране вод (г.Харьков, 1986 г.), Всесоюзном совещании "Совершенствование системы управления и контроля использованием и охраны вод в СССР на базе объединенных региональных ВХС" (г.Свердловск, 198,7 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Автоматизация научных исследований в проектировании АСУ ТП в мелиорации" (г.Фрун-зе, 1988 г.), Всероссийском научно-техническом совещании "Экономические проблемы и внедрение хозрасчетных отношений в управление водными ресурсами" (г.Свердловск, 1989 г.), Всесоюзной конференции "Современные проблемы планирования и управления водохозяйственными системами" (г-Новочеркасск, 1990 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Экосисгемный подход к управлению качеством поверхностных и подземных вод, мероприятиями на водосборах" (г.Свердловск, 1991 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Управление водным хозяйством России" (г.Екатеринбург, 1992, 1993 гг.), Всероссийской научно-практической конференции "Экосисгемный подход к управлению водными ресурсами в бассейнах рек" (г.Екатеринбург, 1994 г.), Международной научно-практической конференции "Экология и современность" (гАзов, 1995 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель" (г.Новочеркасск, 1995 г.), Всероссийской конференции "Бассейн реки. Эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования" (г.Екатеринбург, 1996 г.), других областных конференциях и совещаниях, а также на ВДНХ РФ путем экспонирования автоматизированных информационно-советующих систем управления водными ресурсами, г.Москва, 1991, 1992 гг. Результаты исследований опубликованы в 44 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена в шести главах на 276 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц, 62 рисунка, 8 приложений. Список использованных источников включает 325 наименований. Общий объем работы 367 страниц.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам СевКавНИИВХ, Донского и Северско-Донецкого БВО за помощь при выполнении настоящей работы.