Введение к работе
Актуальность проблемы. Более 90% мировой продукции рыбного хозяйства в настоящее время приходится на морские и океанические промыслы. В рыбной отрасли России ведущую роль играют морские биологические ресурсы дальневосточного бассейна. Их освоенная часть, являющаяся сырьевой базой рыбной промышленности Дальнего Востока, дает ныне 60 % общероссийского вылова.
Рациональное использование возобновляемых морских биологических ресурсов включает в себя как важнейшую составляющую освоение оптимально допустимых объемов вылова различных объектов промысла с минимальными затратами добывающего флота. Следует отметить, что доля потерь промыслового времени на поиск рыбных скоплений до сих пор чрезмерно велика и достигает порою 30-40%. Основой решения задач, направленных на повышение эффективности работы добывающего флота, таких как оптимизация объемов промысловых усилий, сокращение непроизводительных затрат промыслового времени, сглаживание сезонности морских промыслов, являются надежные прогнозы промысловой обстановки. Особую остроту эта проблема приобрела в последние 20-25 лет, когда сложилась практика работы крупными рыбодобывающими экспедициями. Причем по мере совершенствования добывающий флот становится все более дорогам и, следовательно, значимость проблем его эффективного использования и краткосрочного прогнозирования промысловой обстановки (КППО) будет возрастать. В первую очередь это относится к промыслам пелагических объектов, таких как сайра, сардина, сельдь, кальмары и др.
До исследований, выполненных в представленной работе, в нашей стране и за рубежом отсутствовали теоретические концепции, апробированные методы исследований, специализированное программное обеспечение и научно обоснованная практика прогнозирования промысловой обстановки, хотя и существовали отдельные, в основном экспертные, приемы этого дела. Актуальность работы обусловлена решением именно этого круга принципиальных вопросов краткосрочного промыслового прогнозирования. Это комплексное исследование, рассматривающее задачи научно-методического, технического, организационного и информационного обеспечения КППО. Таким подходом к проблеме достигается объединение результатов теоретического моделирования и натурных экспериментов, а также их практического использования..
4 Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка, реализация и экспериментальная проверка концепции краткосрочного рыбопромыслового прогнозирования на базе системного анализа проблемы и возникающей в его рамках человеко-машинной информационной технологии. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:
проблемно-целевой анализ рыбопромыслового прогнозирования;
разработка методов описания состояния системы "окружающая среда-промысловый объект" для целей прогаозирования промысловой обстановки;
разработка адаптивной схемы идентификации и обучения математических моделей краткосрочного прогнозирования промысловой обстановки;
усовершенствование и исследование адекватности моделей распознавания образов, различных регрессионных моделей, а также разработка и исследование ряда оригинальных моделей для КППО;
обоснование принципа выработки прогнозных решений на основе комитета моделей;
разработка и апробация методов количественной оценки качества прогнозов промысловой обстановки;
разработка человеко-машинной технологии сбора, обработки и анализа применяемых в промысловом прогнозировании данных (промысловых, океанологических, как судовых, так и дистанционных, гидроакустических и др.);
разработка и реализация в виде компьютерной диалоговой системы программного обеспечения для всех этапов прогаозирования промысловой обстановки;
экспериментальная и практическая проверка разработанной системы в реальных условиях рыбных промыслов дальневосточного бассейна, сравнительный анализ результатов на основе судового и дистанционного зондирования океана.
Научная новизна. В работе развито новое научное направление, связанное с комплексным решением задач анализа и прогаозирования состояний системы "окружающая среда - морские биологические объекты промысла".
На основе проведенных исследований предложена единая концепция теоретического моделирования процессов формирования и динамики
5 перспективных районов рыбного промысла. На этой основе- разработана адаптивная схема идентификации моделей и обосновано применение принципа комитета таких моделей для КППО. Впервые разработаны и использованы интегральные показатели состояния внешней среды, количественные оценки качества прогнозов промысловой обстановки, ряд математических моделей (распознавания и регрессионная с интегральным показателем, градиентная, диффузионная, энтропийная и др.) для решения основных задач КППО.
Программная реализация этих разработок выполнена в виде диалоговой системы (СОРПУ), имеющей две версии: для персональных компьютеров типа IBM XT/AT и для мини-ЭВМ СМ-1420. Эта программная система не имеет аналогов ни в России , ни за рубежом. Таким образом, на основе системного анализа проблемы создана информационная человеко-машинная технология краткосрочного промыслового прогнозирования.
В процессе ее создания и опытной эксплуатации в береговых и. морских условиях получены и проанализированы количественные оценки информативности различных параметров состояния среды для рыбопромысловых целей, точности дистанционных измерений температуры океана, качества промысловых прогнозов по различным моделям, периода действия инерционных прогнозов и т.д.
Практическая ценность работы определяется тем, что в ней впервые рассмотрена вся проблема краткосрочного прогнозирования промысловой обстановки от теоретической постановки задач до апробации результатов исследований и разработок в условиях реальных промыслов. Предложенные подходы и методики обоснованы как теоретически, так и практически. Надежные прогнозы промысловой обстановки не только дают большую экономию промыслового времени за счет сокращения времени поиска промысловых скоплений, но и служат основой оперативного управления рыбодобывающим флотом. При этом следует иметь в виду, что суточный вылов крупных промысловых экспедиций составляет тысячи тонн рыбы.
Информационной базой предложенной технологии являются все доступные и уже в той или иной мере используемые в практике промысла данные научно-исслдовательских и поисковых судов, добывающего флота, самолетов авиаразведки, спутников. Это позволяет использовать существующие системы организации управления и телекоммуникаций. Практически ценно и то, что опыт высококвалифицированных специалистов по прогнозированию и поиску рыбных скоплений не противопоставляется компьютерной технологии, а интегрируется ею за счет ее способности к адаптации и обучению. Таким образом, развиваемое в диссертации научное
направление (промысловая информатика) соединяет теорию и практику краткосрочного промыслового прогнозирования.
Результаты и разработки диссертации в течение ряда лет применялись т- в ТИНРО для практического обеспечения рекомендациями о промысловой обстановке япономорского и южнокурильского промыслов сардины и промысла сайры в районе Южных Курил. На практике подтверждено высокое качество краткосрочных промысловых прогнозов . на основе предложенной человеко-машинной технологии. В среднем около трех четвертей вылова приходится на рекомендованные участки промысловой акватории. Причем этот результат носит стабильный характер.
Большое практическое значение имеет использование разработанной
компьютерной системы в качестве тренажера для специалистов по
управлению морским промыслом. Разработанная информационная технология
оказалась также мощным средством исследования процессов формирования и
динамики промысловой обстановки под воздействием окружающей среды.
Соответствующие разработки диссертации, в частности СОРПУ, были
внедрены в Государственном производственном объединении "Дальрыба", в
Тихоокеанском управлении промысловой разведки и научно-
исследовательского флота (ТУРНИФ), Полярном НИИ рыбного хозяйства и
океанографии (ПИНРО), в Национальном центре мониторинга морской среды
(Китай, г.Далянь). . -.
На зашиту выносятся:
1. Единая концепция краткосрочного промыслового прогнозирования,
основанная на системном анализе и информационной интерактивной
компьютерной технологии.
2. Обоснование состава, структуры, принципов организации и
функционирования автоматизированной системы обеспечения краткосрочными
прогнозами важнейших промыслов пелагических объектов на основе судовых
и авиационных данных.
3. Разработанные и испытанные в реальных условиях промыслов
методы описания состояния внешней среды (векторные и скалярные свертки),
математические модели решения основных задач КППО (градиентная,
статистического распознавания и регрессионная с интегральными
показателями состояния среды, диффузионная, энтропийная).
-
Способ выработки прогнозов промысловой обстановки, основанный на использовании комитета моделей-экспертов.
-
Оригинальные количественные методы оценки качества прогнозов промысловой обстановки и методик КППО.
-
Разработаная и проверенная на практике диалоговая программная система, которая позволяет обрабатывать, хранить и анализировать все необходимые для промыслового прогнозирования виды данных (промысловые, гидробиологические, гидрологические, включая дистанционные), а также реализует все основные этапы процесса подготовки краткосрочных прогнозов.
-
Полученные в ходе опытной эксплуатации разработок оценки значимости различных параметров описания внешней среды и изменчивости этих характеристик в течение промыслового сезона, количественные оценки качества компьютерных прогнозов как по судовым, так и дистанционным данным, результаты сравнительного анализа точности измерений температуры океана судовыми и авиационными средствами и другие материалы.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседаниях и
итоговых сессиях Ученого совета ТИНРО в 1979, 1982, 1985, 1986, 1988 гг.,
на заседании Ученого совета ВНИРО в 1982 г., на Международных
конференциях 1FIP по моделированию и оптимизации сложных систем
(Новосибирск, 1978; Москва, 1982), на XIV Международном тихоокеанском
конгрессе (Хабаровск, 1979), на заседаниях советско-финской Комиссии по
исследованию операций (Москва, 1977; Алма-Ата, 1978), на заседании
комиссии "Научные вопросы вычислительной техники" Академий наук
:оцстран (Ташкент, 1977), на I, II и III Всесоюзных совещаниях по
іроблемам краткосрочного рыбопромыслового прогнозирования (Владивосток,
1982; Калининград, 1985; Керчь, 1989), на IV Всесоюзной конференции
'Мировой океан" (Владивосток, 1983), на IX и X школах-семинарах по
математическому моделированию в проблемах рационального
іриродопользования (Новороссийск, 1985, 1986), на научно-практической юнференции по методам промыслового прогнозирования (Мурманск, 1983), ш Всесоюзной конференции "Теория, методология и практика системных геследований" (Москва, 1984), на Всесоюзном совещании "Исследование и іациональное использование биоресурсов дальневосточных и северных морей ХСР" (Владивосток, 1985), на Всесоюзной конференции "Экономика своения океана" (Владивосток, 1985), на III Всесосюзной конференции по іроблемам промыслового прогнозирования ..(Мурманск, 1986), на Всесоюзной іколе-семинаре "Технические средства и методы исследования Мирового кеана" (Москва, 1987), на Международном симпозиуме по оперативной ромысловой океанографии (Сент-Джонс, Канада, 1989), на заседании омиссии по западной Пацифике (ВЕСТПАК) МОК ЮНЕСКО (Ханджоу, ^итай, 1990), на I Советско-Китайском симпозиуме по океанографии Владивосток, 1990), на VI Международной конференции по моделированию анализу природных ресурсов (Сабаудиа, Италия, 1993).
8 Структура и объем работы. Диссертационная работа представляется в форме научного доклада и состоит из общей характеристики работы, введения, 11 разделов, основных результатов, списка основных публикаций автора из 41 наименования. Всего по теме опубликовано более 60 работ, включая монографию и два методических пособия. Исследования начаты в 1973 г. и основаны на данных промыслов сардины, сайры. и сельди. Работы проводились в северной части Охотского моря, в экономической зоне России, в Японском море, в прикурильских водах северо-западной части Тихого океана.