Моделирование систем эколого-экономической безопасности методами нечеткой логики тема диссертации по экономике, полный текст автореферата

Автореферат диссертации по теме "Моделирование систем эколого-экономической безопасности методами нечеткой логики"

На правах рукописи

Кузьмин Всеволод Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МЕТОДАМИ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

08.00.13 - Математические и инструментальные методы экономики

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата экономических наук

17 ОКТ 2013

005534907

Кисловодск 2013

005534907

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Рогачев Алексей Фруминович Официальные оппоненты:

Наталуха Игорь Анатольевич, доктор физико-математических наук, профессор, НОУ ВПО «Кисловодский институт экономики и права», профессор кафедры математики и информационных технологий

Федорова Яна Владимировна, кандидат экономических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Ростовский государственный экономический университет (РИНХ), доцент кафедры Информационных технологий и защиты информации

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный у КИВСрС итст»

Зашита состоится «27» октября 2013 г. в «10:00» на заседании диссертационного совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 521.002.01 при НОУ ВПО «Кисловодский институт экономики и права» по адресу: 357700, г. Кисловодск, ул. Розы Люксембург, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке НОУ ВПО «Кисловодский институт экономики и права».

Автореферат разослан "26" сентября 2013 г.

Ученый секретарь .

диссертационного совета ^^Бостанова А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время в России и во всем мире, одними из самых актуальных являются проблемы, связанные с экологической обстановкой. Значительное воздействие на окружающую среду оказывают промышленные предприятия. Особо важным представляется обеспечение эколого-экономической безопасности функционирования таких предприятий, заключающейся в сокращении возможных угроз от их деятельности.

Для обеспечения экологической безопасности необходимо четкое понимание масштабов негативного воздействия, а так же качественная и количественная оценка экономического ущерба от загрязнения, природной среды, что может быть реализовано с помощью математического инструментария, позволяющего моделировать в условиях теоретико-вероятностной природы разнородных величин и прогнозировать результаты.

Методы теории нечетких множеств являются универсальным средством моделирования, анализа и синтеза интеллектуальных систем, позволяющим осуществить переход от экспертных систем логического вывода к автоматизированному анализу состояния сложных технологических процессов средствами нечеткой логики.

В виду усложнения современных технических систем и технологических процессов, повышаются требования к обеспечению их эколого-экономической безопасности. Поэтому, разработка системы математических моделей нечеткого вывода, позволяющей количественно и качественно оценить экономический ущерб и экологические угрозы является, несомненно, актуальной.

Степень научной разработанности проблемы. Большой вклад в развитие теории и практики построения интеллектуальных моделей нечеткого вывода внесли отечественные и зарубежные ученые: К-А- Алтунин,. Дж. Бакли, А. В. Борисов, Г.Б. Бояджиев, Н.В. Дилигенский, Л.Г. Дымова, Л. Заде, Б. Коско, К. Кофман, В.В. Круглов, Е. Мамдани, И.А.Наталуха, А.О. Недосекин, М. Пилиньский, Д.А. Поспелов, П.В. Севастьянов, М. Сугэно, П-В. Терелянский, Т. Тэрано, X. Хил Алуха, Г.Н. Хубаева, С. Д. Штовба, Р. Ягер и др.

Вопросам взаимодействия экономических .процессов с институциональными структурами посвящены труды: А.Ю. Архипова, А.-Р. Белоусова, A.C. Дудова, В. Герасименко, С.Ю. Глазьева, С.Г. Капканщикова, Н. Ноздрань, Ю.В. Овсиенко, А.Е. Шибалкина и др.

Проблемы эколого-экономической безопасности и критерии ее комплексной сравнительной оценки исследованы в трудах A.M. Бронштейна, Г.В. Гутмана, В.А. Литвина, A.A. Мироедова E.H. Пузова, И;Н. Русина, Е.В. Хлобыстова, С.Н. Яшина и др., где основной целью комплексной сравнительной оценки субъекта экономики является определение возможности решения социально-экономических задач на основе использования внутренних резервов и источников экономического роста.

- Несмотря на значительное количество работ, в .этом, .направлении, на

данный момент не существует готовых решений для моделирования систем эколого-экономической безопасности методами нечеткой логики.

Указанные обстоятельства позволили сформулировать цель и определить задачи диссертационного исследования.

Целью исследования является моделирование эколого-экономической безопасности производственных процессов на промышленном предприятии методами нечеткой логики.

Для достижения указанной цели были определены следующие задачи: расширить категорию «моделирование эколого-экономической безопасности» с учетом воздействия различных внешних и внутренних факторов на процесс ее обеспечения;

- разработать иерархию причинно-следственного взаимодействия элементов системы эколого-экономической безопасности для формализации процессов функционирования промышленного предприятия;

- построить алгоритм и разработать методику обеспечения эколого-экономической безопасности на предприятии средствами нечеткой логики;

- разработать систему нечетко-множественных моделей визуализации угроз эколого-экономической безопасности;

: провести сравнительный анализ методов математического моделирования угроз эколого-экономической безопасности и выявить преимущества и недостатки их применении для выбранной предметной области исследования;

- провести вычислительные эксперименты с модельными ситуациями на конкретном примере, а так же проверить адекватность разработанной модели на основе реальных ситуаций;

- внедрить в производство разработанный, на основе модели эколого-экономической безопасности, комплекс программ и рассчитать экономическую эффективность предложенного метода.

Объектом исследования являются промышленные предприятия и их технологические процессы, сопровождающиеся эколого-экономическими угрозами безопасности.

Предметом исследования в диссертационной работе являются методы моделирования систем эколого-экономической безопасности производственных предприятий, основанные на адаптации теории нечётких множеств к решению данной проблемы. , .

Соответствие темы диссертации требованиям Паспорта специальностей ВАК Министерства образования н науки РФ (по экономическим наукам). Содержание диссертационного исследования соответствует специальности 08.00.13 - Математические и инструментальные методы экономики, п. 1.2. Теория и методология экономико-математического моделирования, исследование его возможностей и диапазонов применения: теоретические и методологические вопросы отображения социально-экономических процессов и систем в виде математических, информационных и компьютерных моделей; 2.3. Разработка систем поддержки принятия решений для рационализации организационных структур и оптимизации управления

экономикой на всех уровнях.

Теоретико-методологическую основу исследования составили монографии, научные статьи, диссертации, публикации различных авторов в периодической печати, статистические и отчетные материалы специализированных международных агентств, Федеральной службы государственной статистики Российской Федерации, научные доклады российских и зарубежных ученых. ' ''

В процессе исследования применялись общенаучные методы и приемы: научная абстракция, анализ и синтез, методы группировки, сравнения и др. Наряду с классическими методами в работе использован инструментарий имитационного моделирования, аппарат нечетких множеств, системы компьютерного моделирования МаЛаЬ.

Информационно-эмпирическая база исследования формировалась на основе данных Федеральной службы государственной статистики и ее территориальных подразделений, Министерства экономического развития РФ, электронных ресурсов сети Интернет, материалов монографических исследований отечественных и зарубежных ученых, оценок экспертов, а также личных наблюдениях автора. -

Рабочая гипотеза исследования базируется на совокупности научных предположений автора и системе следующих взаимоувязанных теоретических положений, согласно которым уровень эколого-экономической безопасности производственных предприятий зависит от эндогенных и экзогенных факторов, степень угроз от которых можно оценить с помощью аппарата нечеткой ¡логики в системах искусственного интеллекта, что позволит своевременно и адекватно блокировать причины возникновения кризисных явлений и ситуаций, а. также предложить рекомендации по укреплению эколого-экономической безопасности предприятий отрасли. •.-.>,,•;,.

Научная новизна диссертации заключается в разработке : системы нечетко-множественных моделей эколого-экономической безопасности, а также их формализации в системе МаЛаЬ для оценки, анализа и визуализации эколого-экономических показателей исследуемого объекта.

При этом получены следующие наиболее существенные результаты, характеризующиеся приращением научного знания в исследуемой области, обладающие новизной и являющиеся предметом защиты:

- предложена авторская трактовка понятия «моделирование эколого-экономической безопасности», включающего совокупность математических соотношений, описывающих закономерности воздействия различных внешних и внутренних факторов на экологическую нагрузку от хозяйственной деятельности промышленных предприятий и экономический ущерб от загрязнения.

- предложена авторская методика обеспечения эколого-экономической безопасности на предприятии средствами нечеткой логики, основанная на количественной оценке индикаторов угроз в системе МаЛаЬ и визуализации результатов нечетко-множественного моделирования эколого-экономической безопасности;

обоснован выбор экспертной системы показателей эколого-

экономической безопасности, исходными данными для которой явились: «бухгалтерский баланс» предприятия (форма №1), «отчет о прибылях и убытках» (форма №2), класс опасности предприятия и отчеты по экологическим платежам;

- предложен алгоритм расчета условной экологической нагрузки на водные ресурсы и атмосферу, позволяющий определить зависимость между затратами на очистку стоков и экономическим ущербом от загрязнения и оценить эффективность различных природоохранных программ, а так же проанализировать их влияние на экологическую устойчивость;

- разработан комплекс нечетких моделей и осуществлена их программная реализациям в системе MatLab Fuzzy Logic Toolbox, что позволило получить интегральную оценку состояния экологической безопасности предприятия и сравнительные характеристики величин этих угроз на основе автоматизированной оценки;

- проведена проверка адекватности предложенной модели эколого-экономической безопасности по следующим параметрам: вид функции

; принадлежности (треугольная, трапециевидная, параболическая, гауссова), степень их нечеткости (базис или альфа-срез), способ задания t-оператора (Заде, вероятностные, Лукасевича, Швайцера-Скляра), способ задания нечеткого вывода (аппроксимация Мамдани), количества термов входных и выходных переменных. В результате чего было установлено, что увеличение количества итераций с 50 до 500 уменьшает максимальную ошибку вывода в 1.4 раза, но увеличивает время работы алгоритма в 12 раз, а увеличение точности определения параметров функций принадлежности с 0.1 до 0.001 уменьшает максимальную ошибку вывода в 33.7 раза и увеличивает время работы алгоритма в 9.6 раза.

Теоретическая и практическая значимость диссертационного исследования определяется актуальностью поставленной цели и решаемых задач. Теоретическая значимость результатов заключается в развитии методики нечетко-множественного подхода применительно к моделированию систем обеспечения эколого-экономической безопасности производственных предприятий, что является существенным вкладом в развитие теорию нечетких множеств в области моделирования экономических системам.

Предлагаемые автором модель и практические рекомендации по повышению эффективности управления эколого-экономической безопасностью нашли применение в деятельности Поволжского научно-исследовательского института эколого-мелиоративных технологий (г. Волгоград). Выполненные научные разработки также используются в учебном процессе кафедрами: математического моделирования и информатики ВолГАУ при преподавании учебных курсов «Эконометрика (продвинутый курс)», «Информационные технологии в агроинженерии» и экономика природопользования ВолГАУ при преподавании учебных курсов «Экологический менеджмент» и «Управление природоохранной деятельностью».

Диссертационное исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Волгоградской области по проекту № 13-06-97075

«Математическое моделирование обеспечения экологической безопасности региона с учетом трансграничного загрязнения окружающей среды».

Апробации результатов исследования. Основные положения диссертации обсуждены и получили апробацию в тезисах, статьях и выступлениях на международных, межрегиональных и внутривузовских научно-практических конференциях: «Эффективное освоение новшеств, информации и идей - условие модернизации хозяйственных систем» (Волгоград, 2012), «Молодые исследователи Волгоградской области: материалы XVI региональной конференции» (Волгоград, 2012), «Актуальные проблемы и перспективы развития информационного общества» (Саратов, 2011), «Инженерные, экономико-правовые и управленческие аспекты развития национальной, экономики: проблемы, поиски, решения» (Германия, г. Ганновер, 2012), «Студенческий научный форум» (2013), «Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России» (Москва, 2013), «Молодежные инновации - 2013» (Республика Беларусь, г. Горки, 2013).

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования нашли отражение в 14 публикациях общим объемом 4,7 п.л., в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Цель и задачи исследования 1 определили структуру' диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, " заключения, списка информационных источников и приложений.-Исследование изложено на 162 страницах, иллюстрировано 17 таблицами и 16 рисунками, имеет 6 приложений. Список информационных источников включает 203 наименования.

В первой главе «Теоретические основы моделирования систем эколого-экономической безопасности» рассмотрены основные категории систем эколого-экономической безопасности, методы и инструменты математического моделирования, в том числе эколого-экономической безопасности. Большое внимание уделено особенностям моделирования эколого-экономических систем.

Во второй главе «Методика построения моделей нечеткой логики» исследованы основы теории нечетких множеств и особенности применения нечетко-множественного подхода к моделированию экономических систем W процессов. Рассмотрены современные механизмы обеспечения эколого-экономической безопасности.

В третьей главе «Моделирование эколого-экономической безопасности средствами нечеткой логики» представлены авторские рекомендаций' :ho результатам проведенного исследования в части выбора инструмен-гарйй реализации метода нечеткой логики для моделирования эколого-экономической безопасности промышленного, предприятия. В качестве информационной платформы нечеткого вывода автором предложена система Mat Lab и ее программный модуль Fuzzy Logic Toolbox. Представлена авторская методика и непосредственно программная реализация оценки эколого-экономической безопасности, проведена проверка адекватности предложенной модели и расчет ее экономической эффективности.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая группа проблем, исследуемых в диссертации, связана с анализом функционирования производственных предприятий, как сложного объекта управления, определением такой категории как эколого-экономическая безопасность, выявлении её места и роли в структуре деятельности предприятия, а также уточнением возможности применения нечетко-множественного подхода для моделирования систем обеспечения эколого-экономической безопасности.

Проблемы окружающей среды, с точки зрения экономистов, — это неизбежный результат экономического роста в развитых индустриальных странах. Государственное вмешательство необходимо для того, чтобы контролировать деятельность фирм и регулировать их воздействие на окружающую среду.

Многочисленные исследования, связанные с проблемами загрязнения окружающей природной среды свидетельствуют о том, что существующая прежде практика формирования концепции экологической безопасности, которая принимала во внимание только показатели предельно допустимых выбросов/сбросов, постепенно уступает место системной парадигме управления эколого-экономическим ущербом. Для России это совершенно новой подход который широко распространен во многих западных странах. Анализ центральной, с точки зрения обеспечения экологической безопасности, категории включает как качественную, так и количественную оценку «натурального» и экономического ущерба от загрязнения природной среды, и может быть реализован с применением различного инструментария, в основном теоретико-вероятностной природы - методов эконометрического и имитационного моделирования, и нового для данного направления -моделирования на основе теории нечётких множеств. Только научно обоснованные результаты анализа эколого-экономического ущерба позволят выработать действенные природоохранные меры, доказать необходимость осуществления проектов экологической направленности и повысить, таким образом, экономическую значимость принимаемых решений.

Проект системы обеспечения эколого-экономической безопасности предусматривает возможность накапливать знания специалистов в данной предметной области и управлять ими при принятии решений. К числу основных требований к Данной системе управления знаниями - возможность практического Применения специалистом Любого уровня информационной подготовки.

При проектировании использовался метод, основанный на иерархично-блочном подходе, основная цель которого сводится к декомпозиции функций и иерархий систем и подсистем.

Проектируемая система может быть представлена в следующем виде (рис.

*ТКД м #го

• акавпгюлЛ 6»нтммхгм

1

«■пунши

Рисунок I - Структурная схема модели эколого-экономически безопасного

производства

Таким образом, в диссертации сделан вывод о том, что математическое моделирование в настоящее время — один из основных инструмснтариев эколого-экономического анализа, позволяющий использовать математические методы и модели, а также соответствующие технические средства их реализации для описания эколого-экономических процессов, их внутренней структуры и свойств, что позволяет получить новые качественные выводы об экологической обстановке в тесной взаимосвязи с экономикой.

Вторая группа проблем, рассмотренных в диссертации, связана с анализом существующих методов моделирования эколого-экономической безопасности.

Эколого-экономическая безопасность - это сочетание экономических, социальных и экологических условий и факторов, которые обеспечивают устойчивое и эффективное развитие общества, направленное на улучшение качества жизни людей и состояния окружающей природной среды.

В основу исследования сущности эколого-экономической безопасности был положен динамический подход, как способ изучения объектов и явлений в процессе изменения во времени самих объектов, язлений, их элементов и соотношений между ними.

Состояние того или иного объекта эколого-экономической безопасности может быть оценено целой гаммой как качественных, так и количественных критериев и показателей.

Рисунок 2 — Особенности эколого-экономической безопасности

Моделирование подобных систем позволяет получить сравнительные характеристики этих величин. Для этого нет необходимости измерять точный «потребительский излишек», достаточно определить площадь под грубо оцененной функцией спроса. В новых условиях разработки экологической политики более привлекательными стали малозатратные (затратноэффективные) регулирующие меры.

Современное состояние в сфере защиты окружающей среды и повышения экологичности производств, характеризуется возрастанием роли экономической науки в формировании и развитии экологической политики. С началом 90-х годов политические и общественные условия благоприятствуют внедрению рыночных методов для решения социальных программ. В большинстве стран, общественное мнение склоняется в сторону рыночного стимулирования экологизации техносферы для достижения социальных целей.

В современном научном мире поставлена задача сохранения среды наряду с экономическим ростом, что влечет необходимость создания в системе экономической статистики новое единое параметрическое пространство, способное отразить в себе как экономическое развитие, так и состояние окружающей среды. До сих пор вопросы экономического развития и состояния окружающей среды не имели единой системы измерений — отдельно существовали статистика экономического развития и учет состояния окружающей среды. В первой преобладали стоимостные, денежные показатели, во второй — натуральные, физические. Такая ситуация, сложившаяся в статистике, отражала общий взгляд на окружающую среду, как на нечто внешнее по отношению к экономике.

Однако* именно статистические исследования позволили установить прямую зависимость между экономическим ростом и ухудшением состояния окружающей среды, с одной стороны, и ухудшением состояния среды и увеличением экономических затрат на производство — с другой. Таким образом, состояние: окружающей среды уже перешло из разряда экзогенных параметров для экономической системы в разряд внутриэкономических характеристик, что, в >первую очередь, меняет структуру и характер методов анализа и оценки влияния'загрязнения' на деятельность предприятия.

Третья группа проблем,¡¡рассмотренных в диссертации^; связана с обоснованием применения теории нечетких множеств к разработке системы эколого-экономической безопасности.

Математическая теория нечетких множеств, предложенная Л. Заде более четверти века назад, позволяет описывать нечеткие понятия и знания, оперировать этими знаниями и делать нечеткие выводы. Экспериментально показано, что нечеткое управление дает лучшие результаты, по сравнению с получаемыми при общепринятых алгоритмах управления.

В условиях неполноты и неточности информации построение точной математической модели оказывается проблематичным. С другой стороны, создание модели сложных, плохо формализуемых объектов становится трудно выполнимым. В таких случаях наиболее эффективными являются нечеткие методы моделирования, которые в значительной степени основаны на знаниях экспертов, и позволяют получить позитивные результаты в итеративнбм процессе уточнения непротиворечивой модели. К числу сложных, - слабо формализуемых объектов, функционирующих в значительной степени в условиях неопределенности, следует отнести и систему эколого-экономической безопасности. Исследования дают толкование реальных процессов, характеризующих целевые факторы, определяющие качество принимаемых управленческих решений.

Идентификация нечетких моделей базируется на данных наблюдений, однако пока не представляется возможным исключить в этом процессе участие эксперта, который решает следующие задачи: 1) определение типа нечеткой модели (синглтон, Мамдани или Такаги-Сугено); 2) выбор /-нормальных функций для задания нечетких логических операций; 3) выбор способов нечеткого вывода (для модели типа Мамдани; аппроксимация Мамдани либо формальнологический вывод).

Выбор типа модели определяется решаемой задачей. Если решается задача интерполяции или аппроксимации, причем точность является определяющим фактором, то выбор должен быть сделан в пользу нечеткой модели тина Такаги-Сугено. Нечеткая модель такого типа выступает при этом в качестве универсального аппроксиматора.

Если решается задача извлечения знаний из , данных (в виде лингвистических правил) или поиск ассоциативных связей во множестве данных, то для этих целей необходимо использовать нечеткую модель тина Мамдани. Несомненным достоинством таких моделей является их понятность и интерпретируемость.

Модель типа синглтон (Singleton) может быть использована, как для решения задач аппроксимации, так и извлечения знаний.

К важным свойствам модели, кроме точности и интерпретируемости, можно отнести скорость обучения, которая зависит от многих факторов, таких как тип нечеткой модели (модель типа синглтон обучается быстрее остальных), от выбранных методов идентификации и др.

Теоретической основой построения нечеткой модели является нечеткая логика. Рассмотрим способы задания логических операций в нечеткой логике. Нечеткое отрицание по Заде - это унарная операция, определенная как с(а) = 1 — а, Va £ [ОД].

Операция отрицания удовлетворяет следующим свойствам:

с: [ОД] -»[ОД],

c(0) = l,c(l) = 0}c(c(a)) = a,

yaua2(taua2 е [0,1])д((аг < а,) -» (с(ах) > с(а2)))). Возможны и другие способы задания операции отрицания, например, по Сугено: с(а) = ^~, где Я > -1; поЯгеру: с(а) = л/l -а",гдер > 0.

Функция Заде. Для двух переменных функции Заде задаются следующим образом:

Т(а, Ь) = min(a, Ь), S(o, Ь) = тпах(а, Ь);

для и переменных: T(alta2r...,aJ = min(a1,a2,...,a„). SCai.aj,...,««) = max(a1,a2,...,a„).

Вероятностные функции. Для двух переменных T(a,b) = а * b,S(a,b) = а + b ~ а * Ь ; для и переменных: T(a1(a2,...,a7l) = a1-a2«...-an.

(я ЯП п к те я \

i=i ¡=1 J>1 l = lJ>ik>J ¡=1 J

Алгоритм вычисления /-конормальной вероятностной функции S приведен

ниже.

Вход. Массив чётких значений (х1( хг,..., хг). Выход. Значение S i-конормы.

1. Вычислить a-t = - ^1хг(л"г). —-an ~ Pixn(*n) •

2. Вычислить S = ап, i — п — 1.

3. Пока ¡>0 выполнять:

3.1. Вычислить £ = a, + (1 — а,) * S;

3.2. Вычислить 1 = j—Ь

4. Выход S.

К четвертой группе проблем проведенного исследования относится разработка модели обеспечения эколого-экономической безопасности, реализующего адаптацию теории нечётких множеств к указанной проблеме.

Исследование эколого-экономической безопасности с позиций системного подхода позволяет рассмотреть процесс её обеспечения как некую целостность, проявляющуюся в рамках экономических систем. Обеспечение эколого-экономнческой безопасности как системы характеризуется: большим числом выполняемых функций, параметров и результатов функционирования; сложностью поведения системы, которая отражается в наличии переплетающихся и перекрывающихся взаимосвязей между переменными; неравномерными и непостоянными во времени внешними воздействиями; постоянной пространственной и временной связью, что проявляется при взаимодействии элементов системы и фиксируется в виде определенной структуры; отражением взглядов, целей и ценностей субъектов хозяйствования; отсутствием зависимости структуры и характера взаимосвязей между элементами от уровня и типа развития экономической системы.

На первом этапе моделирования эколого-экономической безопасности были определены предельные критические и высокие значения для каждого индикатора. Формализацию индикаторов, задаваемых на качественном уровне,

хи...,хт 1 | СлгОч) База правил У

1 Ку) 1

Фазшфикацня -► Машина вывода Дефаззификация

Рисунок 3- Структура неформальной нечёткой системы :

На следующем этапе моделирования ' эколого-экономической безопасности были определены предельные, 'критические"" и ■ высокие значения уровня эколого-экономической безопасности дЯя определения формы функции принадлежности, ассоциированных с каждой переменной, она может быть описана в универсальной форме аппроксиматоров как,

Ф) -

¿=1 , =. со

Таким образом, использование математического моделирования на основе нечеткого вывода, позволило оценить экологическую обстановку окружающей среды, контролировать эколого-экономическую безопасность предприятия

Используемый алгоритм описывает несколько последовательно выполняющихся этапов (рис. 4). При этом каждый последующий этап получает на вход значения, полученные на предыдущем шаге.

Ныхолкис количественные значения

Формирование боты правил i

Дефаззнфикаиня

Фаззификаиня

Аккумулирование заключений

Агрегирование Активизация

подусловнй пол заключений

Рисунок 4 - Алгоритм деятельности процесса нечеткого вывода

Алгоритм работает по принципу «черного яшика». На вход поступают количественные значения, на выходе они же. На промежуточных этапах используется аппарат нечеткой логики и теория нечетких множеств. В этом и состоит элегантность использования нечетких систем. Можно манипулировать привычными числовыми данными, но при этом использовать гибкие возможности, которые предоставляют системы нечеткого вывода. Данный подход позволяет осуществлять зонирование угроз эколого-экономической безопасности.

Модель эколого-экономической безопасности в нашем исследовании представляет собой основные принципы и направления реализации мероприятий на различных уровнях производственной и коммерческой деятельности.

Программная реализация разработанного комплекса нечетких моделей и осуществлена их программная реализациям в системе Mat Lab Fuzzy Logic Toolbox (рис. 5).

Дальнейшее решение поставленной проблемы требует нечеткой характеризации всех переменных, участвующих в построении системы принятия решений. Известно, что нечеткие свойства прсдставимы двумя понятиями и их свойствами: нечеткой переменной и лингвистической переменной.

Для данной модели были определены следующие результативные переменные «Коэффициент загрязненности», «Экономический эффект». Они имеют следующие нечеткие характеристики: «Взвешенные вещества», «ХПК»,

«БПК», ^^фаты^«Н^продукть,>>;

"--------------..........

... ~

i

тШШ

es

i—

i

Рисунок 5 - Визуализация модели нечеткого вывода в системе Mat Lab Fuzzy

Logic Toolbox

Для каждого компонента терм-миожссгва 7', представляющего нечеткую переменную «,(* -1,2,3), следует построить нечеткое множество А,. Компонентами этого множества являются возможные значения нечеткой переменной а,. Принадлежность этих значений множеству, определяемому семантикой терма а,, задастся функцией принадлежности. Таким образом, функция принадлежности представляет собой отображение цл(.х) (0,1],х € X.

Теоретические основания для построения функций принадлежности на самом деле нетривиальная задача. Однако, процедура построения имеет важное значение для глубокого понимания природы неопределенности, описываемой нечеткими логическими системами.

Функция принадлежности элемента х нечеткому множеству А интерпретируется как субъективная мера. Под субъективной мерой понимается определенная опросом экспертов степень соответствия элемента * понятию, формализованному нечетким множеством А. Вычисление степеней принадлежности //¿(г,), х, 6 X проводится на основании алгоритма обработки матрицы парных сравнений М = Цт0||. Элементы этой матрицы представлякл собой оценки экспертов, насколько элемент х, более значим для понятия, описываемого нечетким множеством А, чем элемент х^.

В соответствии с этим алгоритмом построенные функции принадлежности для лингвистической переменной («К загрязненности». Г, X), где

Т = {«низкая загрязненность», «средняя загрязненность», «высокая загрязненность»),

X - {0, 100} - базовое множество, имеют вид. представленный на рис. 6.

Рисунок 6 11осI роенные функции принадлежности для лингвистической переменной «Взвешенные вещества»

ВитймьМеГыкН...!.-!. л ■'.

С&!

Аналогичным образом строятся функции принадлежности для остальных элементов множества факторов. Заметим, что процедура построения функций принадлежности представляет собой этап фаззификации множества предпосылок, конкретизированные значения которых определяют значения следствий, выводимых в процедуре нечеткого логического вывода.

Механизм логического вывода включает четыре этапа: введение нечеткости (фаззификация), нечеткий вывод, композиция и приведение к четкости (дефаззификация). Приведенная схема укладывается в алгоритм вывода Мамдани. Из четырех этапов в предыдущем разделе реализованы два. Остается раскрыть этапы собственно вывода на основе конкретизации состояния системы и дефаззификации, т.е. вычисления «четких» значений для факторов, определяющих принимаемые решения.

Сделаем предположения о текущем состоянии системы. Пусть гекушес значение у равно 0,5 на относительной шкале. Этому значению у соответствуют значения р£в(0,5) = 0,6 и Д*(0.5) - 0,9 на функциях принадлежности, помеченных Z и РВ. Поскольку 0.5) > ^'"(0,5), то активными являются правила 3 и 4, из которых следуют значения РВ и Z термов лингвистических переменных и х:, соответственно.

Проанализируем сформулированную базу правил. Правила 1 и 2 построены с помощью оператора И.

Поскольку правило 3 имеет коэффициент достоверности 0,7, то его активизация приводит к нечеткому множеству по xt, ограничение которого сверху определяется произведением Fj = 0,7 на степень принадлежности 0,9, получим фуикцию принадлежности /Л ограниченную сверху значением 0,63.

Праиило 4 имеет составное заключение. Поскольку логическая связка представлена оператором И, то функция принадлежности высказывания в заключении есть

ц" = min 0К*1),м(<г)}-

Функцию принадлежности заключения активизированного правила необходимо умножить на коэффициент уверенности этого правила 0,9 получим функцию принадлежности р".

Правила 3 и 4 аккумулируют функцию принадлежности, которая представляет собой композицию функций принадлежности заключений этих правил - ц\ fi". Композиция определяется операцией птах-дизъюнкции от р\ ц", функция принадлежности которой изображена на рис.7 (вертикальная штриховка).

Четкому значению у = 0,5 следует поставить в соответствие четкие значения х, и х2. Для этого проведем дефаззификацию лингвистических переменных с помощью метода определения центра масс некоторой области, ограниченной функцией принадлежности:

Для функции принадлежности (вертикальная штриховка) это четкое значение равно 3.65 по относительной шкале. Перевод к абсолютным значениям даст х1 ^ 910 и х2 * 36,5 (в соответствующих единицах для утих переменных). Продолжая исследование других правил, можно получить числовые значения остальных факторов, обеспечивающих в совокупности достаточный уровень целевой функции.

В диссертации предложен алгоритм расчета условной нагрузки для каждого источника загрязнения. Экспериментальная часть исследования проводилась на показателях условной нагрузки на водные ресурсы и атмосферу, которые были приняты в качестве индикаторов эколою-экономической безопасности исследуемых отраслей промышленности.

Составляющие показателей условной нагрузки характеризуют загрязненность стоков, их объем и размещение. Их а1ализ позволяет дифференцировать отрасли промышленности с помощью коэффициентов условной нагрузки. В одних отраслях решающую роль играет степень загрязненности сточных вод — концентрации в них вредных гешссгв, в других — объемы сточных вод. 'Гак, например, высокий коэффициент объема сточных вол лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности из-за высокой водоемкости производства (при средней загрязненности стока) обусловливает в этой отрасли максимальную величину показателя условной нагрузки на реципиентов. Наоборот, в производстве строительных материалов, при сильной загрязненности стоков вследствие малых объемов сточных вод. в итоге формируется низкий коэффициент нагрузки.

Фактическая нагрузка на реципиентов по большинству отраслей значительно выше нормативной, а последняя близка к нагрузке, создаваемой при очистке сточных вод на уровне передовых предприятий.

Это обстоятельство во многом объясняет результаты, полученные в дальнейшем при расчетах по народнохозяйственной модели.

На базе рассчитанных коэффициентов в трех точках (фактическая, нормативная очистка и уровень передовых предприятий) была охарактеризована зависимость между затратами на очистку стоков и экономическим ущербом от загрязнения. Функция ущерба в зависимости от затрат на очистку в общем виде (для всех отраслей) убывающая и нелинейная.

Экспериментальные расчеты по модели дали возможность проследить реакцию промышленной сферы на осуществление различных природоохранных программ и проанализировать их влияние на экологическую устойчивость. Программы различаются конечными целями: достижением к 2014 г. во всех отраслях передового (I, II варианты) либо нормативного (III) уровня очистки сточных вод, а также заданных траекторий развития процессов очистки. Один из варивнтон (V) состоит в выходе на передовой уровень очистки сточных вод не во всех отраслях, а только в четырех (химическая, лесная, легкая и пищевая), поскольку здесь создается 80% нагрузки на реципиентов в начале планового периода.

Для проверки адекватности модели изменялись следующие параметры: вид функции принадлежности (треугольная, трапециевидная, гараболическая, гауссова) и степень их нечеткости (базис или альфа-срез), способ задания t-оператора (Заде, вероятностные, Лукасевича. Швайцера-Скляра). способ задания самою нечеткого вывода (аппроксимация Мамдани, формальнологический), количссгва термов входных и выходных переменных.

В результате проведенных исследований было установлено, что увеличение количества итераций работы алгоритма, точности и количества термов уменьшает ошибку, увеличивая при этом время работы алгоритма.

Увеличение количссгва итераций с 50 до 500 уменьшает максимальную ошибку вывода в 1,4 раза, но увеличивает время работы алгоритма в 12 раз.

Увеличение точности определения парамефов функций принадлежности с 0,1 до 0,001 уменьшает максимальную ошибку вывода в 33,7 рам и увеличивает время работы алгоритма в 9,6 раза.

Проведенные исследования позволили сделал, вывод, что ошибка аппроксимации тестовых функций нечеткой системой, параметры которой оптимизированы с помошью нечеткой логики, не превышает ошибку, полученную при оптимизации на основе стандартных методов. Формализацию индикаторов, задаваемых на качественном уровне, также следует провести на основе функций принадлежности (рис. 8).

В диссертации сделан вывод о том, что обеспечение эколого-

экономической бело и ас мости любого предприятия — это постоянный циклический процесс. На основании этого предложим основные характеристики процесса обеспечения эколого-экономической безопасности промышленного предприятия.

Рисунок 8 - Визуализация индикаторов эколого-экономической беюпасносги в сист еме Mal Lab Fuzzy Logic Toolbox

Способы обеспечения эколого-экономической безопасности предприятия — это набор мер и система организации их выполнения и кнггроля, которые позволяют достигать наиболее высоких значений уровня эколого-экономической безопасности предприятия. На рисунке 9 приведен алгоритм обеспечения эколого-экономической безопасности промыш .ч,ных предприятий, направленный на анализ текущего состояния компании, выявлении угроз и разработку превентивных мероприятий.

На заключительном этапе исследования были обоснованы рекомендации по укреплений'' эколого-экономической безопасности промышленных предприятий. К полученным результатам можно отнести следующее:

- модернизация предприятия в части основных фондов приведет к повышению общей эколого-экономической безопасности на 23%;

- внедрение инновационных технологий совместно с модернизацией позволит увеличить данных показатель на 18%;

- увеличение платежей на 25% за загрязнение приведет к уменьшению уровня эколого-экономической безопасности на 3%;

- внедрение проекта по очистке и использованию сточных вод в системе оборотного водоснабжения послужит ростом уровня эколого-экономической безопасности на 13%.

Рисунок 9 - Алгоритм обеспечения эколого-экономической безопасности промышленных предприятий (предложено автором)

Итоговым этапом оценки текущего уровня обеспечения эколого-экономической безопасности предприятий, является комплексный анализ целесообразности реализованных мероприятий по предотвращению ущербов и минимизации потерь, а так же влияние эффективности мер на уровень прибыли (дохода) промышленного предприятия.

Необходимо отметить, что все мероприятия, направлены на обеспечение

устойчивого развития предприятия, что позволяет рассчитывать на синергетический эффект.

В заключении диссертации представлены основные выводы и рекомендации:

1. Современные издержки по уменьшению загрязнения быстро возрастают и решения по ограничению загрязнения требуют больших расходов. Противоречия интересов субъектов хозяйственной деятельности, загрязняющих окружающую среду и государства в сфере обеспечения экологической безопасности требуют жесткого регулирования. Такое противоречие интересов может быть разрешено только путем перехода к системе экологически отрегулированных экономических показателей, которая будет отражать единство экономики и окружающей среды как равнозначных факторов общественного развития.

2. Моделирование систем обеспечения эколого-экономической безопасности позволило получить сравнительные характеристики этих величин при малозатратных (затратноэффективных) регулирующих мерах на основе оценке трансграничного загрязнения окружающей среды с помощью интеллектуальных компьютерных систем. Оценка экологического ущерба включает как качественную, так и количественную характеристику загрязнения природной Среды, что и реализовано в работе на основе теории нечётких: множеств.

3. Разработка системы нечетких моделей позволила визуализировать показатели исследуемого объекта. Такой методологический подход к эколого-экономическим процессам выявляет их внутреннюю структуру и свойства, а также позволяет сделать выводы об экономической ¡ эффективности природоохранных мероприятий по очистке вод и выбросов в атмосферу. Экспериментальные расчеты показали, что в четырех отраслях (химическая, лесная, легкая и пищевая) создается 80% нагрузки на окружающую среду и при внедрении, предложенных в диссертации рекомендаций возможен вывод их на передовой уровень очистки сточных вод только к 2014 году.

4. Исследование состояния теории нечетких множеств показывают, что текущая ситуация в России характеризуется недостаточностью готовых программных средств, основанных на нечетких моделях, а также отставанием научных разработок в данной области от запросов менеджмента. Нечеткие множества практически не применяются для экологического и экономического анализа природоохранных мероприятий, прогнозирования экономических затрат и ущербов. Таким образом, налицо серьезное отставание российской науки и практики в области нечетко-множественного моделирования в анализе и прогнозировании экономических явлений и процессов от зарубежного уровня исследований и прикладных результатов. ,

Список публикаций по теме диссертации Публикации в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК

1. Кузьмин В.А. Моделирование эколого-экономической безопасности на основе нечетко-множественного подхода [текст] / В.А. Кузьмин // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. -№5. -2013,- 0,4 п.л.

2. Кузьмин В.А. Моделирование эколого-экономических систем с использованием алгоритмов нечеткого вывода [текст] /А.Ф. Рогачев, В.А. Кузьмин//Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - № 1 (29). — 2013, - 0.4/0,2 п.л.

- З.Кузьмин В.А. Оценка угроз экономической безопасности методом иерархического синтеза (статья элект.) / В.А. Кузьмин, К.Е. Токарев // Электронный научный журнал «Современные проблемы науки и образования», № 2,2013 г. http://www.science-education.ru

Публикации в других научных изданиях:

4. Кузьмин В.А. Экономико-математические методы анализа, моделирование и прогнозирование сложных систем [текст] // Эффективное освоение новшеств, информации и идей - условие модернизации хозяйственных систем: материалы Всероссийской научно-практической конференции. -Волгоград, 2012. - 0,4 п.л.

5. Кузьмин В.А. Формирование развития стратегического потенциала предприятия на основе нечеткой оценки индикаторов экономической безопасности [текст] / В.А,- Кузьмин, К.Е. Токарев // Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем: Материалы Международной научно-практической конференции. Волгоград, 2012. С. 311-315 - 0,4/0,3 п.л.

6. Кузьмин В.А. Реализация алгоритма обеспечения экономической безопасности на основе нечетко-множественного подхода в среде Ма^аЬ (статья элект.) / В.А. Кузьмин, К.Е. Токарев // Электронный журнал «Современные научные исследования и инновации», июль, 2012.-0,4/0,3 п.л.

7. Кузьмин В.А. Информационная система многокритериальной оценки качества оказания услуг на основе методов теории принятия решений [текст] / В.А. Кузьмин, К.Е. Токарев // Аграрная наука — основа успешного развития АПК и сохранения экосистем: Материалы Международной научно-практической конференции. Волгоград, 2012. С. 315-318- 0,4/0,3 п.л.

8. Кузьмин В.А. Применение аппарата нечетких множеств для моделирования экономических систем [текст] / В.А. Кузьмин, К.Е. Токарей // // Молодые исследователи Волгоградской области: материалы XVI региональной конференции. Волгоград, 2012. - 0,4/0,3 п.л.

9. Кузьмин В.А. Особенности лингвистического подхода к моделированию экономических систем [текст] / В.А. Кузьмин // Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы

развития информационного общества», Саратов.- 0,2 пл.

10. Кузьмин В.А. Особенности моделирования эколого-экономических систем [текст] / В.А. Кузьмин // Международная научно-практическая конференция «Инженерные, экономико-правовые и управленческие аспекты развития национальной экономики: проблемы, поиски, решения», Германия, г. Ганновер 28 ноября-5 декабря 2012 г.- 0,2 п.л.

11. Кузьмин В.А. Моделирование эколого-экономической безопасности средствами нечеткой логики (статья элект.) / В.А. Кузьмин // V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум», 15 февраля-31 марта 2013 г. http://www.scienceforum.ru/2013/331/6410

12. Кузьмин В.А. Моделирование эколого-экономической безопасности сложных гидромелиоративных объектов [текст] /А.Ф. Рогачев, В.А. Кузьмин // Международная научно-практическая конференция (Костяковские чтения) «Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России», Москва, 2013 г.--0,2/0,1 пл.

13. Кузьмин В.А. Моделирование управления стратегией эколого-экономической безопасности региона средствами нечеткой логики MatLab [текст] / В.А. Кузьмин // Сборник научных статей «Экономика природопользования: региональный аспект», ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ,

ТЛ________ЛЛ1 1 _ П 1 ^ ч

I. полил рад, ¿ии i.- ii.ji.

14. Кузьмин В.А. Управление эколого-экономической безопасностью сельскохозяйственных предприятий на основе нечеткого математического моделирования [текст] /А.Ф. Рогачев, В.А. Кузьмин // Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Молодежные инновации - 2013» 29-31 мая 2013, Республика Беларусь, г. Горки.- 0,2/0,1 пл.

Подписано в печать 23 сентября 2013 г. Формат 60x84/16. Бумага типографская № 1 Гарнитура Тайме. Усл. печ.л. 1,1. Тираж 110 экз. Заказ 395. Издательский центр Кисловодского института экономики и права. 357700, г. Кисловодск, ул. Р. Люксембург, 42