Содержание к диссертации
введение
Глава . Процессы использования природных ресурсов 12
§1.1 Концепция и основные понятия системной динамики 12
§1.2 Построение модели использования природных ресурсов с учетом потерь .43
§1.3 Математическое описание и анализ модели 55
Глава 2. Процессы загрязнения окружающей среды 65
§2.1 Построение модели загрязнение атмосферы выбросами СОг, SOx и N0, 65
§2.2 Математическое описание и анализ модели на примере США 75
§2.3 Математическое описание и анализ модели на примере России 83
Глава 3. Глобальные эколого-экономнческне процессы 91
§3.1 Описание и анализ глобальных системно-динамических моделей социо-
эколого-экономических процессов 91
§3.2 Анализ "типовых" структур и связанных с ними процессов 98
§3.3 Обоснованность и практическое использование системно-
динамических имитационных моделей 116
Приложения 137
I. Модель использования природных ресурсов 137
П. Модель COz и не-СОг-загрязнения окружающей среды (США) 141
Ш. Баланс и листы принятия решений для игры "Полисфера" 146
IV. Листинг основных модулей программы для игры "Полисфера" 152
V. Фазовые портреты для петель положительной и отрицательной
обратной связи второго и третьего порядка 168
Список
Предметный указатель.. 179
Введение к работе
Изучение процессов, происходящих в экономике, экологии и других сферах, является довольно трудной и неоднозначной в своём решении задачей, поскольку данные системы являются сложными (то есть обладающих дублирующими обратными связями) и слабоструктури-зованными. Над подобными системами эксперимент в том смысле, как он понимается в естественных науках, чаще всего невозможен. Если же он все-таки осуществим, то его последствия трудно оценить и предугадать из-за "контринтуитивного поведения"2 указанных систем.
Такое поведение обусловлено не только размером и сложной структурой систем, но и огромным объёмом информации, порождаемой происходящими в таких системах процессами, которая без использования информационного анализа и информационных технологий в подавляющем большинстве случаев не поддаётся адекватной оценке. А это подчас бывает крайне необходимо в условиях "уникального выбора"3, ошибки которого в современном мире могут стоить очень дорого (например, при принятии решений в области энергетики и природопользования).
Поэтому разработка системных и информационных методов изучения процессов, протекающих эколого-экономических системах, является актуальной задачей, которую предстоит решать для достижения устойчивого развития человеческой цивилизации в условиях серьёзных глобальных проблем, по всей видимости, ожидающих ее уже в следующем столетии.4
На особенно большие трудности наталкивается изучение классическими методами экономической науки эколого-экономических процессов, протекающих в странах, находящихся в переходной фазе. Указанные методы применимы лишь к изучению простых систем с неизменной структурой, которые находятся в устойчивом, хотя, возможно, и
квазиравновесном, состоянии, и плохо применимы к сложным системам, переходящим из одного состояния в другое, особенно если такой переход сопровождается сильным изменением структуры системы. То же самое относится к информации, которой сопровождаются такие процессы. Если в период нахождения системы в устойчивом состоянии информация извлекается, обрабатывается и используется вполне определёнными и неизменными на протяжении продолжительного временного интервала методами, то в переходный период изменяется не только качественный и количественный состав информации, но и технологии, связанные с её переработкой. Примером этому могут служить переход на новую систему национальных счетов, с одной стороны, и бурное развитие в последние десятилетия информационных технологий, сопровождающее так называемый переход в новую "информационную"5 ("постиндустриальную"6,7 или "технотронную"8) стадию развития общества в некоторых странах мира (например, в США, Японии, Корее и др.), с другой стороны. В данной связи актуальным является применение информационно-системных методов к изучению процессов, протекающих в эколого-экономических системах, находящихся в переходном состоянии, разработка моделей подобных систем на базе указанных методов.
История развития и краткий обзор литературы
Исследованию эколого-экономических процессов, протекающих в сложных системах посвящено значительное число работ. Среди них особое место занимают работы в области системного анализа, зарождение которого началось ещё в античной греческой философии (Платон, Аристотель9, стоики, Евклид). Именно тогда впервые возникли представления о системе (от греч. аиатгща) как о совокупности элементов, находящихся в структурной взаимосвязи друг с другом и образующих определённую целостность. Затем эти представления получили дальнейшее развитие в работах Николая Кузанского, Спинозы, Канта, Шеллинга, Гегеля, Маркса и других известных мыслителей. Практически трудно найти того или иного мыслителя, который в той или иной мере не затрагивал этой темы.
Тем не менее, только в XX веке системный подход был существенно развит и привёл к зарождению системного анализа. Так, например,
австрийский учёный Людвиг фон Берталанфи10,11 в 30-40е успешно применил системный подход к описанию биологических процессов и ввёл понятие открытой системы. Однако ещё начале XX (1912-1928 гг.) века методология системного анализа была заложена русским учёным А.А. Богдановым, который пытался разработать новую науку об организации ("тектологию"12) и тем самым предвосхитил основные идеи кибернетики, развитые позднее группой учёных во главе с Н. Винером13, У.Р. Эшби14 и другими учёными в 40-50е годы. Кроме того, отражение системного подхода можно найти в работах В.И. Вернадского, Т. Котарбиньского, Б. Рассела15, А. Тойнби и других исследователей XX века. Позднее, в 60-70е годы системный анализ становится базовой методологией в экономике, экологии, социологии, демографии, политике, военном деле и других областях. Следует отметить, что ещё в 30-х годах XX века в некоторых экономических моделях уже присутствовали элементы системного анализа. Так, например, кейнсианская модель формирования совокупного спроса содержит обратные связи, приводящие к мультипликационным эффектам: положительная петля обратной связи между совокупным спросом и произведённым национальным доходом.16
Основателем системно-динамического направления системного анализа является Д.Ф. Форрестер, разработавший в 1956 г. принципы и аппарат "системной динамики", исходя из теории систем, дифференциаль-ных уравнений и компьютерного моделирования. Им в 1970 г. были созданы модель городской динамики, различные модели мировой динамики ("Мир-1" и "Мир-2")17, положившие начало глобальному моделированию. В рамках этого направления были разработаны следующие модели и проекты: системно-динамические модели "Мир-3" или "Пределы роста"18 Д. Медоуза (1972 г.); балансово-эконометрические модели "Человечество перед выбором"19 М. Месаровича и Э. Пестеля (1974 г, концепция "органического роста") и проект "ЛИНК"20 Л. Клейна (с 1968 г, синтез
национальных моделей). В 1988 г. таиландский учёный К. Сайд21 разработал имитационную системно-динамическую модель развивающихся стран, учитывающую взаимосвязь экономических, демографических, экологических, социально-политических и технологических факторов развития. По заказу ООН под руководством В. Леонтьева была разработана глобальная межотраслевая модель. В 90-е годы в рамках глобального имитационного моделирования продолжается активное изучение социо-эколого-экономических процессов и построение имитационных моделей. Так, в рамках концепции "устойчивого развития"24 в 1995 г. группой американских учёных была создана системно-динамическая модель "США на пороге ХХ1-го века", которая моделирует развитие США с учётом экономических, демографических, экологических, социально-политических и технологических факторов. Аналогичные модели при поддержке Института Тысячелетия м Всемирного банка были созданы и создаются в настоящее время во многих странах мира (Таиланд, Тунис, Китай, Малави, Грузия, Армения и другие). Так, весной 1997 г. были завершены обобщенные системно-динамические модели для изучения динамики макроэкономических показателей Грузии и Армении.25 В марте 1997 г. на проходившем в Токио Международном Форуме по Глобальному Моделированию был представлен доклад о возможном будущем для Бангладеж, Туниса и США, составленный на основе моделей, разработанных для данных стран.
Перечисленные результаты были бы недостижимы без использования современных информационных технологий и информационного анализа. Так, большинство зарубежных моделей, используемых для анализа эколого-экономических процессов, созданы на основе специальных сред разработки имитационных моделей. На сегодняшний день автору известны такие наиболее распространённые среды разработки имитационных моделей как STELLA (Ithink), DYNAMO, VENSIM, POWERSIM. Они позволяют не только быстро создавать имитационные модели при помощи простых визуальных инструментов, но и проводить анализ работы созданных моделей и использовать данные модели для оценки воздействия управленческих решений на протекание эколого-экономических процессов в системе.
В бывшем СССР системные исследования активно стали развиваться в 70-80 годы нашего столетия. Например, в ЦЭМИ АН СССР в 70-х годах
была разработана эконометрическая модель экономики США , предназначенная для среднесрочного прогнозирования; в СО АН СССР был разработан ряд эконометрических моделей27 (например, С-106 и МОПЕК), в МГУ им. М.В, Ломоносова разрабатывались имитационные модели экономики СССР,28 в ЛГУ были построены модели управления системной образования,29 моделирующих экономику различных стран в послевоенный период; в вычислительном центре АН СССР в начале 80-х годов исследовательской группой под руководством академика Н.Н. Моисеева была создана имитационная модель глобальных экологических изменений.30 В настоящее время работы в направлении имитационного моделирования ведутся во многих учебных и научных учреждениях. Так, адаптацией имитационных моделей, разработанных группой под руководством Д.Ф. Форрестера (Массачусетский технологический институт, Дармутский .колледж), а также разработкой на их основе собственных моделей занимаются в МГИМО, МГУ, НИИСИ, МИФИ, Институте кибернетики им. В.М. Глушкова АН УСССР и других организациях. В 1992 г. на базе НИИСИ был организован Институт системного анализа РАН (ИСА РАН), а в марте 1996 г. в Москве был учреждён Международный комитет по общим системам.
Следует отметить, что наравне с разработкой имитационных моделей ведутся работы по созданию отечественных среды разработки имитационных моделей. Так, в МИУ (ГАУ) им. С. Орджоникидзе под руководством проф. В.И. Дудорина на основе DYNAMO была создана среда для разработки имитационных моделей ИМИТАК31, при помощи которой были созданы региональные модели сельского хозяйства. В ЦЭМИ были разработаны и использовались для имитационных моделей такие языки программирования, как GPSS, PLIS и SIMULA.
Среди современных работ в области системной динамики и моделирования можно отметить работы зарубежных и отечественных учёных, таких как Д.Ф. Форрестер, Дж. Стерман, Д.Л. Кауфман, М.Р. Гудман, Н. Роберте, Донелла и Деннис Медоузы, М. Месарович, Е. Пестель, Т.К. Абдель-Хамид, • Д.Ф. Андерсен, Р.А. Кларк, А. Форд, Д.Н. Ким, Дж.Д. Морекрофт, П.М. Миллинг, Ж.П. Ричардсон, Е.Б. Роберте, X. Сайд, П.М. Сенж, К. Ванг, Е.Ф. Фольштейнхолм, Р. Зараза, Н.Н. Моисеев, Т. Нейлор, А.Г. Гранберг, B.C. Дадаян, Н.В. Чепурных,
А.Л. Новосёлов, В.И. Дудорин, В.Г. Соколов, В.А. Смирнов, Р.В. Игудин, Д.М. Хомяков и П.М. Хомяков, А. Рыженков, и других авторов (наиболее полный библиографический список работ по системной динамике и информационно-системному анализу, начиная с 1967 г. по настоящее время содержит более 3000 работ32), а также зарубежных и отечественных ученых в области экономики природопользования, таких как А. Маркандия, Д. Пирс, Дж. Диксон, Т. Титенберг, Т.С. Хачатуров, С.Н. Бобылёв, А.Л. Бобров, К.В. Папенов, К.Г. Гофман, А.А. Гусев, А.А. Голуб, Е.Б. Струкова, Н.П. Тихомиров, М.Я. Лемешев, Н.Ф. Реймерс и другие. Кроме того, для практического применения системно-динамических моделей в образовательном процессе автор использовал работы по игровому имитационному моделированию (деловым играм) таких авторов, как И.М. Сыроежин, А.А. Вербицкий, .Н. Иваненко, Д.Н. Кавтарадзе, М.М. Крюков, Л.И. Крюкова, В.М. Ефимов, В.Ф. Комаров, В.Н. Макаревич и другие.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является исследование теоретических и методологических основ применения системно-динамического подхода к изучению эколого-экономических процессов, адаптация имеющихся и разработка новых инструментов имитационного моделирования, а также их приложение к изучению эколого-экономических процессов, протекающих в конкретных системах.
В соответствии с целью исследования были определены следующие задачи:
1. изучить и проанализировать основные методы информационного и системного анализа, применяемые для описания эколого-экономических процессов;
2. разработать и применить к конкретным эколого-экономическим процессам методику построения имитационных моделей на базе современных достижений в области системной динамики и информационных технологий;
3. построить модели использования ресурсов, загрязнения атмосферного воздуха, а также модель, отражающую глобальные эколого-экономические процессы, протекающие при взаимодействии нескольких стран;
4. на основе полученных моделей проанализировать динамику эколого-экономических процессов в моделируемых системах и выявить способы достижения ими устойчивого развития;
5. исследовать исходные принципы практического использования моделей системной динамики, в том числе их применение в процессе обучения для формирования системного мышления.
Объектом исследования в диссертационной работе являются эколого-экономические процессы, протекающие в сложных социально-экономических системах, а именно процессы использования природных ресурсов и процессы загрязнения окружающей среды (атмосферного воздуха).
Предметом исследования является развитие аппарата системной динамики и его применение к разработке системно-динамических имитационных моделей эколого-экономических процессов.
Теоретическую и методологическую основу составляют работы отечественных и зарубежных учёных в области экономики природопользования и охраны окружающей среды, а также в области системного анализа, системной динамики и информационных технологий, применяемых к изучению эколого-экономических процессов. Кроме того, в работе использованы материалы периодической печати, опубликованные как на твёрдом носителе (бумаге), так и в электронном виде (публикации в глобальной информационной сети "Интернет"), по системной динамике и моделированию эколого-экономических процессов. Для построения и анализа имитационных моделей использовались данные отечественной, зарубежной статистики и данные имитационных экспериментов.
При осуществлении исследований автор придерживался следующих принципов:
1) применение инструментов системной динамики и информационных технологий к моделированию эколого-экономических процессов;
2) изучение полученных моделей и их уточнение на основе результатов проведения имитационных экспериментов и деловых игр;
3) анализ протекания исследуемых процессов на основе построенных моделей;
4) использование полученных моделей и результатов моделирования для прогнозирования в области экономики природопользования и формирования "системного мышления".
Научная новизна диссертационной работы
Исследованы методологические основы системно-динамического подхода и внесены усовершенствования в логическую структуру его основных определений.
С учётом анализа размерностей на основе модели X. Сайда сконструирована, реализована и проанализирована в современной среде разработки имитационных системно-динамических моделей Vensim модель использования природных ресурсов с учётом потерь, отражающая процессы открытия и разработки месторождений ресурсов, использования и истощения ресурсов, рециклирования, переклассификации и естественного возобновления истощенных ресурсов, изменения спроса на ресурсы и количества населения, которое может существовать за счет имеющихся ресурсов.
На базе указанной модели исследованы стратегии достижения устойчивого эколого-сбалансированного развития и показано, что такие стратегии должны базироваться на максимальном использовании вторичных ресурсов.
На основе модели "США на пороге XXI-го века" построена модель загрязнения атмосферного воздуха выбросами СО2, NOx, SOx, отражающая процессы образования и разрушения загрязнения, работы природоохранных технологий и связанные с ними природоохранные капиталовложения.
При помощи построенной модели получены оценки для выбросов указанных загрязнителей в России и проведено их сравнение с аналогичными оценками для США.
На основе деловой игры Д.Л. Медоуза "Стратегема - 1" разработана деловая игра "Полисфера", имитирующая протекающие при взаимодействии нескольких стран или хозяйствующих субъектов социо-эколого-экономические процессы, для обеих игр создано программное обеспечение на основе современных компьютерных технологий.
Выделены, систематизированы и проанализированы системно-динамические "типовые структуры", которые могут быть использованы в качестве готовых блоков при дальнейшем построении моделей эколого-экономических систем и протекающих в них процессов, предложено понятие "минимальной структуры", генерирующей поведение той или иной сложной системы.
Даны рекомендации по применению системно-динамического подхода.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что усовершенствования, внесенные в логическую структуру основных определений системной динамики, а также анализ "типовых структур" системно-динамических моделей, способствуют расширению применения аппарата системной динамики для имитационного моделирования эколого-экономических процессов.
Практическая значимость исследования состоит в том, что приведённые в диссертационной работе положения и выводы способствуют выработке и принятию управленческих решений в области экономики природопользования. Результаты проведённого исследования, прежде всего, предназначены для решения задач, связанных с "устойчивым развитием" и оценкой последствий, возникающих при осуществлении той или иной политики. Описанная методология может быть полезной для имитационного моделирования конкретных эколого-экономических процессов с учётом региональной и отраслевой специфики. Кроме того, положения и выводы диссертационной работы могут быть использованы для формирования системного мышления в области экономики природопользования и охраны окружающей среды.
Структура и объём диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений, оформленных на 180 страницах машинописного текста с приложениями.
В диссертационной работе рассматривается значительное количество примеров системно-динамических моделей. Поэтому, хотя математическое описание моделей приводится в диссертации, их описание на языке Vensim, а также листинг разработанной автором программы для проведения деловой игры "Полисфера" вынесены в приложения. При этом все цитируемые в диссертационной работе модели были переведены автором с английского языка на русский. Некоторые из них были видоизменены для удобства восприятия и дальнейшего анализа (с использованием временных рядов и цветового оформления различных элементов систем). Кроме того, описание всех указанных моделей описание на языке Vensim было единообразно оформлено (по составляющим структуру элементам) для более удобного их анализа и использования. Тем не менее, это описание можно с небольшой модификацией использовать и в других средах разработки системно-динамических имитационных моделей, таких как STELLA (Ithink), DYNAMO, POWERSIM, ИМИТЕЮи других.
