Экономико-математическое моделирование выбора технологий для рационального природопользования в растениеводческом хозяйстве

Актуальность проблемы. Экологические последствия экономического развития известны и статистические данные показывают, что в Российской Федерации даже на протяжении длительного спада 90-х годов темпы снижения производства были выше, чем темпы снижения загрязнения окружающей природной среды (ОПС). Другими словами, тяжелое наследство, связанное с загрязнением ОПС, не только не преодолевается, но и наоборот, антропогенное воздействие на природную среду имеет тенденцию к возрастанию. В период, когда имеет место хотя и незначительный, но рост промышленного производства, такая тенденция таит в себе немалую угрозу экономической и экологической безопасности страны. Это тем более так, что сам по себе рост обусловлен утяжелением структуры промышленного производства, то есть тех видов отраслей народного хозяйства, которые в наибольшей степени воздействуют на ОПС. Отсюда та важность, которая придается относительно чистым в экологическом смысле технологиям, то есть тем, которые обеспечивают допустимую антропогенную нагрузку, облегчение структуры хозяйства, развитие и внедрению технологий очистки, а также методам и средствам государственного регулирования охраны окружающей среды.

Общий фон загрязнения касается воздушного и водного бассейнов, а также земельных, в особенности сельскохозяйственных угодий. Наиболее болезненно экологические проблемы проявляются в сфере агропромышленного производства, где разрушению и деградации подвергается важнейший фактор производства — земля. С древнейших времен земля составляет основу существования человеческого общества, она является важнейшим первичным фактором производства, а производимая ею сельскохозяйственная продукция — материальную основу жизни.

Однако сохраняющиеся тенденции формирования техногенного природоразрушающего типа развития АПК ведут к экологическому кризису в сельском хозяйстве. Внешними проявлениями этого кризиса стали уменьшение плодородия, крупномасштабная деградация и потери сельскохозяйственной земли из-за эрозии, уменьшение содержания в почве гумуса и питательных веществ и пр. Падение естественного плодородия почв соответствует недобору зерна в среднем по 10 ц/га. Если взять за основу среднегодовую урожайность зерновых культур, то обеспечение только простого воспроизводства плодородия позволило бы увеличить выход продукции с единицы площади более чем в 1,5 раза.

Усугубление экологических проблем требует пересмотра сложившейся в теории и на практике техногенной концепции развития АПК. Главным принципом развития сельскохозяйственного сектора должна стать экологизация всех мероприятий по развитию сельского хозяйства, учет природных особенностей функционирования земельных ресурсов. В соответствии с этим принципом следует выбирать технологии и производственные мероприятия, необходимые для производства аграрной продукции.

Переход на рыночные условия хозяйствования создал объективную основу для преодоления отрицательных последствий антропогенного воздействия. И крупные, и мелкие производители сельхозпродукции объективно заинтересованы не только в ее росте, но и сохранении высокого качества земли, которую они либо арендуют, либо имеют в собственности. Последнее законодательство, облегчающее оборот земли, то есть легализующее ее продажу, делает проблему эффективного и экологически приемлемого землепользования особенно актуальной. Производители заинтересованы не только в максимизации прибыли от реализации продукции, но и в сохранении и даже улучшении качества земельной собственности.

Современное сельскохозяйственное производство, в том числе и его зерновая составляющая — очень сложная и многокомпонентная система, поэтому при выборе технологий специалист сталкивается с проблемой разнообразия технологических схем производства сельхозпродукции, интенсивности их использования, взаимозаменяемости и различной стоимости используемых материальных и трудовых ресурсов. При этом должны учитываться, так называемые, междисциплинарные проблемы, такие как влияние воздействий производственных способов на характеристики почвенного плодородия (содержание гумуса, кислотность и др.) — учет долговременных последствий этих воздействий. Поэтому необходимо разрабатывать и внедрять в практику планирования производства и выбора агротехнической политики современные экономико-математические и программные инструментальные средства, актуальность которых зависит от того, в какой степени они способны решать задачи производительности и обеспечения плодородия земельных массивов.

Степень разработанности проблемы. Содержание работы синтезирует два основных научных направления: применение агротехнологий с допустимой антропогенной нагрузкойтрадиционная область сельскохозяйственных наук — и область экономически эффективного использования ее достижений в теории и практике долгосрочного оптимального планирования производства зерновых культур на уровне сельскохозяйственных предприятий. И в той, и в другой областях можно отметить большой вклад отечественных и зарубежных ученых. Так, методы математического моделирования заняли ведущее место в эколого-экономических исследованиях с самого начала интенсивного изучения процессов взаимодействия человека с природной средой. Широко известны глобальные модели (модели мировой динамики) разработанные Д. Форрестером, Д. Медоузом, М. Мессаровичем и Е. Пестелем. На основе построенных глобальных имитационных моделей исследовалось «поведение» эколого-экономической системы при выборе того или иного курса решения глобальных проблем. Они основываются на глубокой специфике производства сельскохозяйственной продукции. Если для промышленных предприятий экологическая проблема выступает как бы отдельно от основной деятельности, то есть связана либо с поглощением, либо утилизацией, либо с очищением среды от выбросов, то восстановление плодородия почвы зависит непосредственно от технологий производства определенной последовательности культур. В этом плане характерны работы зарубежных ученых [85], внесших существенный вклад в теорию и практику агротехнических наук. Не менее значительны имена отечественных специалистов в области сельского хозяйства, в частности исследований и разработок технологий, сохраняющих плодородие почвы, то есть экологически приемлемых технологий, а в более узком смысле технологий с допусьтмой антропогенной нагрузкой. Это академик Россельхозакадемии И. С. Шатилов, академик-секретарь, Отделения земледелия РАСХН Иванов А. Л., академик — секретарь Отделения защиты растений Захаренко В. А. и др.

Что касается разработки прикладного математического инструментария, то в этой области можно отметить целую плеяду выдающихся отечественных ученых, таких как А. Г. Гранберг, Н. И. Моисеев, Л. В. Канторович, А. Г. Агангебян. Оптимальным управлением производства цитрусовых занимался коллектив ученых Вычислительного центра Академии Наук СССР. В Саратовском СХИ, под руководством проф. Голубева A.B. разработан комплекс экономико-математических моделей производства сельхозпродукции на уровне сельхозпредприятий. Значительный вклад в области разработки ЭММ и инструментальных средств в планировании производства сельхозпродукции принадлежит автоматизированной системе управления «Урожай», созданной в РСХИ. В Волгоградском СХИ разработана модель комплексного подхода к поиску оптимального управления производством сельскохозяйственных культур на основе методов оптимального управления. В обобщенном виде большой вклад в эту сферу внесли коллективы кафедр прикладной математики и экономической кибернетики Сельскохозяйственной Академии и Институтов Москвы, Волгограда и других городов. Разработкой прикладного математического аппарата, в частности имитационного моделирования в сельском хозяйстве, занимался и коллектив кафедры экономической кибернетику ГУУ под руководством д.э.н., проф. Дудорина В. И [28]. Последним разработан оригинальный алгоритм динамического программирования. Вообще следует отметить, что применение ЭММ в планировании сельхозпроизводства имеет глубокие и давние традиции.

Однако в новых условиях рыночных процессов, которые в исследуемой области начинают интенсивно развиваться, имеется определенный пробел в развитии прикладных математических методов, который автор постарался частично восполнить.

Цель и задачи исследования

Основная цель работы состоит в том, чтобы разработать и обосновать научно-методические подходы к формированию и оценке экономико-математической модели оптимального перспективного планирования и производства растениеводческой продукции на основе технологий с допустимой антропогенной нагрузкой.

Для реализации поставленной цели были определены и решены следующие задачи:

— проанализировать современное состояние экологической и производственной ситуации в сельском хозяйстве;

— определить основные направления совершенствования производства зерновых культур;

— разработать концепцию технологии с допустимой антропогенной нагрузкой;

— дать анализ состояния экономико-математического моделирования в сфере планирования и производства зерновых культур;

— разработать концепцию выбора технологий с допустимой антропогенной нагрузкой;

— разработать критерий выбора плановых траекторий производства зерновых культур на основе допустимых технологий;

— разработать математическую формулировку оптимального перспективного планирования производства зерновых культур на основе метода динамического программирования;

— разработать алгоритм реализации принципа оптимальности Беллмана применительно к специфике производства зерновых культур;

— провести экспериментальное моделирование для проверки адекватности алгоритмической реализации модели и показать ее соответствие требованиям планирования производства зерновых культур;

— на основании эксперимента обосновать подход к оценке экономической эффективности предложенного алгоритма реализации оптимального планирования на основе принципа динамического программирования Беллмана.

Предметом исследования является комплекс проблем, связанный с разработкой и применением экономико-математического моделирования для формирования перспективных планов производства зерновых культур на основе выбора технологий с допустимой антропогенной нагрузкой, обеспечивающих максимальную эффективность их производства.

Объектом исследования является среднее или крупное сельскохозяйственное предприятие, осуществляющее плановую и производственную политику, которая отражается в показателях эффективности и состояния плодородия земельных угодий.

Методологической основой исследования явились труды отечественных ученых различных школ и направлений в области сельскохозяйственных технологий, оптимального управления и динамического программирования. Кроме того, в основу работы положена политика Правительства Российской Федерации, направленной на самообеспечение страны продукцией сельского хозяйства при минимизации антропогенного воздействия на почвенное состояние земельных угодий.

Теоретической основой диссертации является.

— обобщение отечественного опыта, связанного с производством сельскохозяйственной продукции, в частности зерновых;

— анализ экологического состояния почвенного покрова Российской Федерации и выявление причин, способствующих его деградации;

— концепция рационального землепользования, при достаточной эффективности производства;

— теоретические положения в области экономико-математических моделей и их применения в оптимальном планировании сельскохозяйственной продукции;

— теоретические положения в области динамического программирования и его связи с концепцией технологий с допустимой антропогенной нагрузкой;

— методические положения по формированию инструментальных средств реализации принципа динамического программирования для конкретных задач оптимального планирования сельскохозяйственного производства.

— Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработана концепция технологий с ограниченной техногенной нагрузкой, обеспечивающей достаточную урожайность зерновых при допустимом состоянии почвенного покрова;

— разработан многокритериальный подход к выбору последовательности антропогенно приемлемых технологий;

— обосновано применение принципа динамического программирования для оптимизации выбора технологий с допустимой антропогенной нагрузкой;

— разработан алгоритм реализации метода динамического программирования применительно к специфике производства зерновых культур;

— доказана адекватность разработанного алгоритма факторам производства, формирующих реальные технологии сельскохозяйственных предприятий зернового профиля.

Основные практические результаты заключаются в следующем:

— разработана методика реализации концепции антропогенно допустимых технологий на основе планово-экономической и технической документации, принятой в практике сельскохозяйственных предприятий;

— разработана методика формирования производственных планов сельхозпредприятий, обеспечивающих максимальную прибыль на заданный многолетний период времени;

— разработана методика формирования информационного обеспечения для оценки и отбора вариантов приемлемых технологий для каждого этапа многошагового динамического программирования;

— разработан алгоритм и соответствующая ему программная реализация множества экологически приемлемых вариантов производственных планов;

— разработан алгоритм и его программная реализация поиска оптимальной траектории последовательного отбора допустимых технологий;

— проведено экспериментальное моделирование работоспособности и эффективности разработанной динамической модели и ее программной реализации;

— разработана методика оценки экономической эффективности модели динамического программирования для выбора последовательности технологий с допустимой антропогенной нагрузкой;

— определены пути дальнейшего совершенствования оптимального долгосрочного планирования сельскохозяйственного производства на основе авторских разработок.

Практическая значимость работы состоит в том, что основные методические положения, ориентированные на формирование оптимального многолетнего плана сельскохозяйственных предприятий доведены до практической реализации, экспериментально апробированы и на основе этого показана эффективность экономико-математической модели динамического программирования, основанная на реальных и доступных данных, используемых на предприятиях, выращивающих зерновые культуры.

Реализация результатов исследования. На основании экспериментального моделирования выявлена работоспособность и эффективность разработанной авторской методики, базирующейся на принципах динамического программирования и доведенной до конкретной программной реализации.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 110 наименований, 7 рисунков, 15 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенного диссертационного исследования и поставленных перед автором задач, получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Дан анализ эволюции технологических процессов в сельском хозяйстве и определены основные причины современного напряженного экологического состояния земельных угодий Российской Федерации.

2. Обоснована актуальность научных направлений, ориентированных на экологическое оздоровление сельскохозяйственного производства.

3. Определена роль производственных плановых решений в восстановлении и улучшении состояния почвенного плодородия.

4. Показана роль и значение экономико-математических методов в принятии плановых решений по повышению эффективности и экологической безопасности сельскохозяйственного производства.

5. Проведен анализ и оценка основных подходов и принципов разработки экономико-математических моделей планирования сельскохозяйственного производства. На его основании выявлены классы моделей, которые включают в себя: модели линейной и нелинейной оптимизации годовых планов, модели динамического программирования оптимизации севооборота, модели оптимизации управления. Доказана необходимость дальнейшего развития данных направлений.

6. Предложен принцип оптимального планирования сельскохозяйственного производства на основе моделей динамического программирования, ориентированных на критерий прибыльности и улучшения почвенного плодородия.

7. Разработана концепция экологически приемлемых технологий.

8. На основании предложенной концепции и принципов перспективного оптимального планирования разработана пошаговая модель динамического программирования, в которой управляющим воздействием является выбор технологически приемлемой технологии, а в качестве состояния системы принято состояние почвенного плодородия.

9. Разработан алгоритм и программная реализация модели перспективного планирования сельскохозяйственного производства.

10. Разработана программа экспериментального моделирования, направленная на оценку работоспособности и эффективности разработанной динамической модели.

11. В соответствии с программой разработаны исходные данные условного сельскохозяйственного предприятия и табличные алгоритмы пошагового расчета условной оптимальной прибыли и максимальной прибыли на периоде, равном 4 годам.

12. Показана работоспособность разработанной модели и ее алгоритмической реализации.

13. Доказана эффективность разработанной модели на основании сравнительных расчетов: по критерию максимизации годовой прибыли, по критерию выбора минимально интенсивных технологии и по критерию выбора максимально интенсивных технологий.

Предложенная модель позволяет наилучшим образом решать задачу сочетания экономической эффективности и сохранения экологической безопасности почвы.