Мониторинг: от приложений к общей теории


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»






                Мониторинг: от приложении к общей теории




     Под редакцией Г. А. Угольницкого








Ростов-на-Дону Издательство Южного федерального университета 2009

УДК 504(470.61)
ББК 20.18
    М 77
Печатается по решению редакционно-издательского совета Южного федерального университета

Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор Наседкин А. В., кандидат химических наук Минина Л. И.
Монография подготовлена и издана в рамках национального проекта «Образование» по «Программе развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Южный федеральный университет” на 2007—2010 годы»

      Проект «Подготовка специалистов по информационным технологиям управления организационными и эколого-экономическими системами»

М 77 Мониторинг: от приложений к общей теории: монография / под редакцией Г. А. Угольницкого. — Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2009. - 176 с.
           ISBN 978-5-9275-06-94-1
           В монографии рассматриваются основные понятия мониторинга, его отдельные виды, методы и средства, организация, математические модели. Изложены соображения по оптимизации системы регионального экологического мониторинга (на примере Ростовской области), представлена концепция информационно-аналитической системы поддержки экологического мониторинга и управления как основы региональной системы экологического мониторинга. Дана характеристика мониторинга применительно к управлению организациями. Дается интерпретация принципов менеджмента качества с точки зрения мониторинга, интерпретация основных понятий мониторинга в терминах иерархически управляемых динамических систем, обозначается место мониторинга в общей технологии управления такими системами. Излагаются общие соображения по оптимизации мониторинга в иерархически управляемых динамических системах, общая схема информационно-аналитических систем поддержки решений в этих системах.
           Предназначена для специалистов и студентов в области прикладной математики, экологии, управления организациями.
      ISBN 978-5-9275-06-94-1                             УДК 504(470.61)
ББК 20.18
                                    © Коллектив авторов, 2009
                                    © Южный федеральный университет, 2009
                                    © Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2009

        ВВЕДЕНИЕ


    Решение любой задачи исследования, и тем более управления сложной системой, обязательно требует наличия информации о состоянии этой системы, а также прогноза возможных изменений состояния при различных условиях, оценки настоящей и будущей (прогнозируемой) обстановки системы. Это обстоятельство определяет круг задач, которые принято объединять термином «мониторинг». Мониторинг включает в себя организацию наблюдений за состоянием системы, прогнозирование и оценку настоящего и будущего ее состояния.
    Одной из наиболее исследованных с точки зрения мониторинга предметных областей являются проблемы взаимодействия общества и природной среды (экологический мониторинг). В нашей стране серьезный вклад в научную и практическую разработку проблематики экологического мониторинга внес академик Ю. А. Израэль. В 1970—1980-е гг. он заложил основы построения системы комплексного мониторинга окружающей природной среды и в течение двух десятилетий возглавлял государственную гидрометеорологическую службу. Существенный вклад в развитие теории экологического мониторинга в России внесен коллективами сотрудников Института глобального климата и экологии РАН и Росгидромета под руководством Ю. А. Израэля и Гидрохимического института Росгидромета во главе с членом-корреспондентом РАН, профессором А. М. Никаноровым. Авторами концепции геоинформационного мониторинга в связи с проблемами глобальной экологии и устойчивого развития являются академик К. Я. Кондратьев и профессор В. Ф. Крапивин.
    Проблематика экологического мониторинга изучается и за рубежом, а в области разработки и внедрения аппаратного и программного обеспечения мониторинга зарубежные организации занимают лидирующие позиции. Материалы ранних этапов исследований в этой области представлены в сборниках трудов советско-американских симпозиумов «Всесторонний анализ окружающей

3

природной среды» (1975—1978), большое количество материалов публикуются в сборниках «Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем» (с 1978 по настоящее время), в журнале Environmental Monitoring and Assessment.
    Система экологического мониторинга включает: наблюдения за происходящими в окружающей природной среде изменениями биотических и абиотических параметров под воздействием естественных и антропогенных факторов; прогноз состояния экологических систем при различных вариантах воздействия; оценку настоящего и будущего состояния экологических систем с точки зрения поддержания экологического равновесия; обеспечение заинтересованных организаций и населения полной и своевременной информацией об изменениях в окружающей природной среде, предупреждение о возможных опасностях.
    Следует отметить, что проблемы управления формально остаются за рамками содержания понятия «мониторинг» (наблюдения, прогноз и оценка состояния), если не считать задач управления самой системой мониторинга. Однако осуществление мониторинга не является самоцелью, а направлено именно на информационную поддержку управленческих решений (в случае экологического мониторинга — управления природопользованием и охраной окружающей природной среды). Мониторинг обеспечивает важнейшую кибернетическую функцию — обратную связь в системе управления. В частности, мониторинг позволяет оценить эффективность природоохранных мероприятий и ожидаемый экологический ущерб от реализации различных хозяйственных стратегий, выполняя важнейшую экономическую функцию.
    Применительно к организациям и предприятиям термин «мониторинг» употребляется значительно реже. Трудно назвать работы, посвященные непосредственно «организационному мониторингу», обычно речь идет о финансовом мониторинге, мониторинге персонала и т. п. Между тем постановка задачи здесь аналогична — необходимы наблюдения за состоянием организации, прогноз организационных изменений при различных управленческих воздействиях, оценка настоящего и возможных будущих состояний организации. Специфика организационного мониторинга заключается в том, что в деятельности организации участвуют люди — активные целеустремленные субъекты со своими интересами и возможностями их 4

реализации, что вносит дополнительные сложности по сравнению с изучением природных систем. В организационном контексте наиболее рельефно проявляется связь задач мониторинга и управления, роль мониторинга как поставщика информации для принятия обоснованных управленческих решений на всех уровнях организации. Как и в экологическом мониторинге, существенную роль в мониторинге организаций играет программно-аппаратная поддержка — в данном случае разработка и сопровождение корпоративных информационных систем.
    Наличие аналогии между экологическим и организационным мониторингом (несомненно, и в других предметных областях) наводит на мысль о возможном обобщении и теоретическом осмыслении проблематики мониторинга в общесистемных терминах. Авторы надеются, что настоящая работа станет одним из первых шагов в решении указанной сложной задачи.
    Первая глава монографии посвящена проблематике экологического мониторинга. В первом параграфе главы рассматривается концепция экологического мониторинга в соответствии с работами Ю. А. Израэля и других исследователей. Обсуждаются основные понятия мониторинга, его отдельные виды, методы и средства, организация, математические модели мониторинга. Второй и третий параграфы главы основаны на материалах научно-исследовательской работы по теме «Разработка концепции организации и развития областной комплексной системы мониторинга за состоянием окружающей среды (экологического мониторинга)», выполненной по заказу Комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов Администрации Ростовской области. Изложены соображения по оптимизации системы регионального экологического мониторинга (на примере Ростовской области), представлена концепция информационно-аналитической системы поддержки экологического мониторинга и управления как основы региональной системы экологического мониторинга. Описаны структура и функции информационно-аналитической системы, ее цели, задачи и функции, состав и принципы организации информации, возможности аналитической обработки данных. Наряду с поддержкой решения задач мониторинга, намечены также пути решения управленческих задач в области природопользования и

5

охраны окружающей среды, приведены соответствующие математические модели.
    Вторая глава монографии посвящена мониторингу в организационном управлении (на примере девелоперской организации, где под девелопментом понимается реализация инвестиционных проектов в сфере капитального строительства). В первом параграфе главы дана характеристика мониторинга применительно к управлению организациями. При этом мониторинг трактуется как средство реализации обратной связи в управлении организацией, обеспечивающее ее руководство необходимой информацией о состоянии ее внутренней и внешней среды. Проблемы организационного мониторинга рассматриваются в тесной связи с менеджментом качества на основе стандартов ИСО 9001, уделяющих вопросам мониторинга существенное внимание. Дается интерпретация принципов менеджмента качества с точки зрения мониторинга.
    Второй параграф главы посвящен описанию совокупности бизнес-процессов девелоперской компании как системы массового обслуживания. Математический аппарат теории массового обслуживания представляется весьма эффективным средством формализации организационных процессов, создающим в том числе основу для функционирования системы мониторинга. Третий параграф главы описывает проект информационно-аналитической системы поддержки управления девелоперской компанией на основе мониторинга бизнес-процессов. Данная разновидность корпоративной информационной системы предоставляет руководству организации дополнительные возможности анализа, моделирования, прогнозирования и оптимизации бизнес-процессов, а также выдачи экспертных рекомендаций. Пример реализации экспертной системы поддержки продаж девелоперской организации описан в четвертом параграфе главы.
    Третья глава монографии представляет собой попытку обобщения результатов анализа экологического и организационного мониторинга, некий «набросок» общей теории мониторинга. Здесь мониторинг рассматривается в свете авторской концепции иерархически управляемых динамических систем. Дается интерпретация основных понятий мониторинга в терминах иерархически управляемых динамических систем, показывается место мониторинга в общей технологии управления такими системами. Излагаются

6

общие соображения по оптимизации мониторинга в иерархически управляемых динамических системах, общая схема информационно-аналитических систем поддержки решений в этих системах.
    Монография написана коллективом сотрудников и аспирантов кафедры прикладной математики и программирования Южного федерального университета (ЮФУ) под руководством доктора физико-математических наук, профессора Г. А. Угольницкого. Усилия авторов распределились следующим образом: Угольниц-кий Г. А. — введение, п. 1.1, 2.1, 3.1, 3.2, заключение; Клименко А. А. — п. 2.3; Петров Д. П. — п. 2.4; Пучкин М. В. — п. 1.2; Тихонов С. В. — п. 2.2; Усов А. Б. — п. 1.2, 1.3.
    Работа выполнена в рамках проекта «Подготовка специалистов по информационным технологиям управления организационными и эколого-экономическими системами» по программе развития ЮФУ на 2007-2010 годы.
    Авторы признательны сотрудникам Гидрохимического института: члену-корреспонденту РАН, доктору геолого-минералогических наук, профессору А. М. Никанорову, кандидату химических наук Л. И. Мининой, доктору биологических наук Т. А. Хоружей — за поддержку и консультации при выполнении работы по теме «Разработка концепции организации и развития областной комплексной системы мониторинга за состоянием окружающей среды (экологического мониторинга)».

ГЛАВА 1



            ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ


    В первой главе монографии проведен анализ современного состояния теории экологического мониторинга, дан краткий обзор работ, посвященных данной проблеме. Выявлены основные математические задачи, которые должны быть исследованы для совершенствования системы регионального экологического мониторинга (на примере Ростовской области). Дана математическая формулировка задач оптимизации системы экологического мониторинга, в частности, оптимизации частоты проведения наблюдений на различных пунктах. Осуществлена оценка эффективности действующей системы экологического мониторинга с точки зрения достаточности, достоверности, надежности и полноты получаемой ею информации.
    Для каждого наблюдаемого параметра определена оптимальная частота его наблюдения в характерных створах сети экологического мониторинга Ростовской области. При решении этой задачи и формировании статистической выборки использованы данные наблюдений за последние 10 лет. Предложены методики для определения оптимальной частоты измерений параметров качества окружающей среды, основанные на разложении функций в ряды Тейлора.
    Проведено сравнение сетей экологического мониторинга Северо-Кавказского управления гидрометслужбы и Донского бассейнового водного управления (на примере нескольких створов в бассейне реки Северский Донец), выявлены основные их особенности, преимущества и недостатки, сделаны выводы о возможном объединении данных обеих сетей.
    Приведена авторская концепция информационно-аналитической системы (ИАС) регионального экологического мониторинга (также на примере Ростовской области). Описаны структура, функции и задачи ИАС, подробно охарактеризованы составляющие ее блоки.


8

1.1. Концепция экологического мониторинга
    Основы современной теории экологического мониторинга изложены в монографии Ю. А. Израэля [Израэль, 1979]. Отличительной особенностью этой работы является системный подход, в соответствии с которым проблемы мониторинга рассматриваются в более широком контексте всестороннего анализа окружающей природной среды.
    Системное описание мониторинга включает следующие функции:
    1) наблюдение за воздействием на среду;
    2) наблюдение за состоянием среды;
    3) прогноз состояния среды;
    4) оценка текущего состояния среды;
    5) оценка будущего состояния среды;
    6) нормирование состояния среды;
    7) нормирование воздействия на среду;
    8) регулирование воздействия на среду;
    9) регулирование состояния среды.
    Первые две функции являются сугубо информационными и могут быть названы мониторингом в узком смысле слова — сбором информации о различных воздействиях на окружающую природную среду. Третья функция является прогнозирующей, а четвертая и пятая функции — аналитическими. В совокупности первые пять функций образуют мониторинг (в широком смысле), согласно определению Ю. А. Израэля.
    Оценка состояния среды тесно связана с вопросами нормирования, поскольку главной задачей мониторинговых оценок следует считать именно сравнение фактического состояния среды с его нормативными значениями, что позволяет сделать вывод о допустимости или недопустимости текущего состояния и о необходимости предпринимать в этой связи определенные действия. Здесь естественно возникает переход к двум последним вышеуказанным функциям регулирования, которые выходят за рамки собственно мониторинга, но являются его логическим продолжением. Ценность мониторинга заключается не столько в нем самом, сколько в той информации, которую он предоставляет для принятия всесторонне обоснованных управленческих решений.

9

    Мониторинговые наблюдения включают [Израэль, 1979: 160-163]:
а) наблюдения за локальными источниками воздействий и загрязнений и факторами воздействий. Источники воздействия могут быть природными (землетрясения, извержения вулканов и т. п.) и антропогенными (деятельность промышленных и сельскохозяйственных предприятий, транспорт, коммунальное хозяйство и т. д.);
б) наблюдения за состоянием среды в геофизическом, геохимическом и физико-географическом аспектах, сбор данных о составе и характере загрязнений. Сюда относятся данные о природных стихийных явлениях катастрофического характера, данные о рельефе земной поверхности, природных ресурсах и народонаселении, наблюдения за природным круговоротом веществ, наличием примесей в биосфере, различными загрязнениями и излучениями;
в) наблюдения за реакцией биоты на воздействия и изменение состояния среды. Наблюдаемые данные должны соответствовать иерархической организации экосистем — от отдельного организма до биосферы в целом. Необходимо собирать как функциональные (запасы и продуктивность биомассы), так и структурные (численность видов растений и животных) данные;
г) наблюдения за реакцией крупных систем (погода, климат, биосфера в целом) на комплекс воздействий и вызываемых ими изменений природной среды.
    Указанные наблюдения должны осуществляться регулярно (через определенные интервалы времени). Наблюдения могут быть как точечными, так и площадными: целесообразно комбинировать эти варианты. Существенное значение при наблюдениях имеет определение фонового состояния (для отдельных регионов и локусов и для биосферы в целом), с которым в дальнейшем сравнивается состояние, измененное вследствие воздействий.
    Ключевым моментом оценки текущего состояния среды выступает его сравнение с предельно допустимым (иногда критическим) состоянием. Разница между этими значениями характеризует экологический резерв рассматриваемой экосистемы, а отклонение фактического состояния от допустимого определяет понятие экологического ущерба [Израэль, 1979: 166]. При оценке состояния

10