Процесс моделирования включает в себя три структурных элемента: объект исследования; субъект (исследователь); модель, опосредующую отношения между познающим субъектом и познаваемым объектом. Рассмотрим общую схему процесса моделирования, состоящую из четырех этапов.
Пусть имеется некоторый объект, который мы хотим исследовать методом моделирования. На первом этапемы конструируем (или находим в реальном мире) другой объект — модель исходного объекта-оригинала. Этап построения модели предполагает наличие определенных сведений об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели определяются тем, что модель отображает лишь некоторые существенные черты исходного объекта, поэтому любая модель замещает оригинал в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для одного объекта может быть построено несколько моделей, отражающих определенные стороны исследуемого объекта или характеризующих его с разной степенью детализации.
На втором этапепроцесса моделирования модель выступает как самостоятельный объект исследования. Например, одну из форм такого исследования составляет проведение модельных экспериментов, при которых целенаправленно изменяются условия функционирования модели и систематизируются данные о ее «поведении». Конечным результатом этого этапа является совокупность знаний о модели в отношении существенных сторон объекта-оригинала, которые отражены в данной модели.
Третий этап заключается в переносе знаний с модели на оригинал, в результате чего мы формируем множество знаний об исходном объекте и при этом переходим с языка модели на язык оригинала. С достаточным основанием переносить какой-либо результат с модели на оригинал можно лишь в том случае, если этот результат соответствует признакам сходства оригинала и модели (другими словами, признакам адекватности).
На четвертом этапеосуществляются практическая проверка полученных с помощью модели знаний и их использование, как для построения обобщающей теории реального объекта, так и для его целенаправленного преобразования или управления им. В итоге мы снова возвращаемся к проблематике объекта-оригинала.
Моделирование представляет собой циклический процесс, т. е. за первым четырехэтапным циклом может последовать второй, третий и т. д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а первоначально построенная модель постепенно совершенствуется. Таким образом, в методологии моделирования заложены большие возможности самосовершенствования.
Перейдем теперь непосредственно к процессу экономико-математического моделирования, т. е. описания экономических и социальных систем и процессов в виде экономико-математических моделей. Эта разновидность моделирования обладает рядом существенных особенностей, связанных как с объектом моделирования, так и с применяемыми аппаратом и средствами моделирования. Поэтому целесообразно более детально проанализировать последовательность и содержание этапов экономико-математического моделирования, выделив следующие шесть этапов: постановка экономической проблемы, ее качественный анализ; построение математической модели; математический анализ модели; подготовка исходной информации; численное решение; анализ численных результатов и их применение. Рассмотрим каждый из этапов более подробно.
а). Постановка проблемы и ее качественный анализ. На этом этапе требуется сформулировать сущность проблемы, принимаемые предпосылки и допущения. Необходимо выделить важнейшие черты и свойства моделируемого объекта, изучить его структуру, взаимосвязь его элементов, хотя бы предварительно сформулировать гипотезы, объясняющие поведение и развитие объекта.
б). Построение математической модели. Это этап формализации проблемы, т. е. выражения ее в виде конкретных математических зависимостей (функций, уравнений, неравенств и др.). Построение модели подразделяется в свою очередь на несколько стадий. Сначала определяется тип математической модели, изучаются возможности ее применения в данной задаче, уточняются конкретный перечень переменных и параметров и форма связей. Для некоторых сложных объектов целесообразно строить несколько разноаспектных моделей; при этом каждая модель выделяет лишь некоторые стороны объекта, а другие стороны учитываются приближенно.
в). Математический анализ модели. На этом этапе чисто математическими приемами исследования выявляются общие свойства модели и ее решений. В частности, важным моментом является доказательство существования решения сформулированной задачи. При аналитическом исследовании выясняется, единственно ли решение, какие переменные могут входить в решение, в каких пределах они изменяются, каковы тенденции их изменения ит. д. Однако модели сложных объектов с большим трудом поддаются аналитическому исследованию; в таких случаях переходят к численным методам исследования.
г). Подготовка исходной информации. В экономических задачах это, как правило» наиболее трудоемкий этап моделирования, так как дело не сводится к пассивному сбору данных. Математическое моделирование предъявляет жесткие требования к системе информации; при этом надо принимать во внимание не только принципиальную возможность подготовки информации требуемого качества, но и затраты на подготовку информационных массивов. В процессе подготовки информации используются методы теории вероятностей, теоретической и математической статистики для организации выборочных обследований, оценки достоверности данных и т.д.
д). Численное решение. Этот этап включает разработку алгоритмов численного решения задачи, подготовку программ на ЭВМи непосредственное проведение расчетов; при этом значительные трудности вызываются большой размерностью экономических задач. Обычно расчеты на основе математической модели носят много-вариантный характер. Многочисленные модельные эксперименты, изучение поведения модели при различных условиях возможно проводить благодаря высокому быстродействию современных ЭВМ. Численное решение существенно дополняет результаты аналитического исследования, а для многих моделей является единственно возможным.
е). Анализ численных результатов и их применение. На этом этапе, прежде всего, решается важнейший вопрос о правильности и полноте результатов моделирования и применимости их как в практической деятельности, так и в целях усовершенствования модели. Поэтому в первую очередь должна быть проведена проверка адекватности модели по тем свойствам, которые выбраны в качестве существенных (другими словами, должны быть произведены верификация модели - проверка правильности структуры (логики) модели и валидация модели - проверка соответствия данных, полученная прогнозированием развития хозяйственных и социальных процессов).
Перечисленные этапы экономико-математического моделирования находятся в тесной взаимосвязи, в частности, могут иметь место возвратные связи этапов. Так, на этапе построения модели может выясниться, что постановка задачи или противоречива, или приводит к слишком сложной математической модели; в этом случае исходная постановка задачи должна быть скорректирована. Наиболее часто необходимость возврата к предшествующим этапам моделирования возникает на этапе подготовки исходной информации. Если необходимая информация отсутствует или затраты на ее подготовку слишком велики, приходится возвращаться к этапам постановки задачи и ее формализации, чтобы приспособиться к доступной исследователю информации.
Выше уже сказано о циклическом характере процесса моделирования. Недостатки, которые не удается исправить на тех или иных этапах моделирования, устраняются в последующих циклах. Однако результаты каждого цикла имеют и вполне самостоятельное значение. Начав исследование с построения простой модели, можно получить полезные результаты, а затем перейти к созданию более сложной и более совершенной модели, включающей в себя новые условия и более точные математические зависимости.
4. Оптимизационные модели. Линейная оптимизационная модель. Формы представления линейных оптимизационных моделей. Линейное программирование – это частный раздел оптимального программирования. В свою очередь оптимальное (математическое) программирование – раздел прикладной математики, изучающий задачи условной оптимизации.
Суть принципа оптимальности состоит в стремлении выбрать такое планово-управленческое решение , где хj, (j=
) – его компоненты, которое наилучшим способом учитывало бы внутренние возможности и внешние условия производственной деятельности хозяйственного субъекта.
Слова «наилучшим образом» здесь означают выбор некоторого критерия оптимальности, т.е. некоторого показателя, позволяющего сравнивать эффективность тех или иных решений.
Задачи оптимального программирования в наиболее общем виде классифицируют по следующим признакам.
1. По характеру взаимосвязи между переменными —
а) линейные,
б) нелинейные.
В случае а) все функциональные связи в системе ограничений и функция цели — линейные функции; наличие нелинейности хотя бы в одном из упомянутых элементов приводит к случаю б).
2. По характеру изменения переменных —
а) непрерывные,
б) дискретные
В случае а) значения каждой из управляющих переменных могут заполнять сплошь некоторую область действительных чисел; в случае б) все или хотя бы одна переменная могут принимать только целочисленные значения.
3. По учету фактора времени —
а) статические,
б) динамические.
В задачах а) моделирование и принятие решений осуществляются в предположении о независимости от времени элементов модели в течение периода времени, на который принимается планово-управленческое решение. В случае б) такое предположение достаточно аргументировано принято не может быть и необходимо учитывать фактор времени.
4. По наличию информации о переменных —
а) задачи в условиях полной определенности (детерминированные),
б) задачи в условиях неполной информации,
в) задачи в условиях неопределенности.
В задачах б) отдельные элементы являются вероятностными величинами, однако известны или дополнительными статистическими исследованиями могут быть установлены их законы распределения. В случае в) можно сделать предположение о возможных исходах случайных элементов, но нет возможности сделать вывод о вероятностях исходов.
5. По числу критериев оценки альтернатив —
а) простые, однокритериальные задачи,
б) сложные, многокритериальные задачи.
В задачах а) экономически приемлемо использование одного критерия оптимальности или удается специальными процедурами (например, «взвешиванием приоритетов») свести многокритериальный поиск к однокритериальному.
Математические модели подразделяются на статистические, балансовые и оптимизационные.
Статистические модели - это модели, в которых описываются корреляционно-регрессионные зависимости результата производства от одного или нескольких независимых факторов. Эти модели широко используются для построения производственных функций, а также при анализе экономических систем.
Балансовые модели представляют систему балансов производства и распределения продукции и записываются в форме шахматных квадратных матриц. Балансовые модели служат для установления пропорций и взаимосвязей при планировании различных отраслей народного хозяйства.
Оптимизационные модели представляют систему математических уравнений, линейных или нелинейных, подчиненных определенной целевой функции и служащих для отыскания наилучших (оптимальных) решений конкретной задачи. Эти модели, в отличие от статистических и балансовых, относятся к классу экстремальных задач и описывают условия функционирования системы.
Оптимизационные модели могут носить детерминированный и стохастический характер. В детерминированных моделях результат решения однозначно зависит от входных данных. В стохастических вероятностных моделях - определенный набор входных данных может дать, а может ине дать соответствующего результата. Стохастические модели описывают случайные процессы, в которых результат всегда остается неопределенным в отличие от детерминированных моделей, входная информация которых заранее предопределяет результат решения.
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение модели и моделирования.
2. По каким признакам классифицируются модели?
3. Перечислите основные этапы моделирования и дайте кратко их характеристики.
4. Дайте определение вербальной модели, знаковой модели.
5. Какая модель называется математической?
Лекция № 3
ОПТИМАЛЬНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА
1. Сущность и задачи оптимального планирования.
2. Планирование размещения производственных объектов и предприятий. Оптимизация плана производства.
3. Планирование загрузки производственных мощностей. Модель оптимального плана загрузки оборудования.
1. Сущность и задачи оптимального планирования. Динамичность развития общественного производства и повышения его эффективности требуют совершенствования методов управления. Одним из важнейших направлений современного состояния производства во всех отраслях народного хозяйства является разработка методологии интегрированной системы математических моделей.
Сущность интегрированной системысостоит в изучении объекта как сложной динамической системы, состоящей из множества функционирующих во взаимодействии элементов. При этом изменения, происходящие хотя бы с одним элементом, отражаются на эффективности в целом всей системы.
Интегрированная система математических моделей представляет совокупность логически, информационно и алгоритмически связанных моделей, отражающих экономические, организационные и технологические процессы воспроизводства в их объективно существующем единстве. Только во взаимосвязи всех моделей системы обеспечивается комплексное решение задач управления производством. В систему включаются различные модели, отражающие воспроизводство экономического объекта. Это модели по функционирующим показателям эффективности производства, таким, как производительность труда, себестоимость единицы продукции, валовая продукция, прибыль, рентабельность, объем капитальных вложений и другие показатели. К интегрированной системе можно отнести модели ценообразования, модели финансирования и кредитования, налогообложения.
Использование интегрированной системы моделей в управлении производством возможно только на основе широкого применения экономико-математических методов и ЭВМ.
Интегрированная система моделей строится с учетом общих методологических принципов. Это принципы развития, единства, относительной автономности, соответствия и адаптации.
Принцип развития требует постоянного совершенствования системы моделей, включения в ее состав новых моделей, использование которых становится необходимым и возможным по мере общего совершенствования методологии планирования и управления. Развитие системы моделей требует соответствующего развития информационного и математического обеспечения плановых и прогнозных расчетов.
Принцип единства означает представление всего комплекса экономико-математических моделей в единой структуре взаимосвязанных блоков. Существенным требованием является общность методологического подхода к построению однотипных моделей, используемых на разных уровнях управления производством. Важнейшим условием выступает единство математического обеспечения системы.
Принцип относительной автономности предусматривает возможность выделения из общей системы моделей относительно самостоятельных частей, которые можно разрабатывать и внедрять, не ожидая полного завершения работ по всей системе моделей. Этот принцип позволяет разрабатывать локальные системы плановых расчетов по конкретным показателям.
Принципы соответствия и адаптации в системе экономико-математических моделей означают соответствие системы моделей сложившимся уровням управления. Модели для каждого уровня отличаются степенью детализации отражаемых процессов. В зависимости от уровня управления выделяют следующие комплексы моделей: региональных (республиканского, областного, районного) предприятий и их подразделений. Учитывая совершенствование организационной структуры управления и методологии планирования, изменения структуры плановых документов, необходимо, чтобы система моделей адаптировалась к изменяющимся условиям, что означает реализацию принципа соответствия.
Кроме рассмотренных общеметодологических принципов, выделяют ряд специфических принципов, имеющих важное значение для построения интегрированной системы моделей. Это такие принципы, как принцип ориентации на выходные плановые показатели, принцип необходимого разнообразия, принцип взаимного дополнения групп моделей, принцип увязки моделей.
Принцип ориентации на выходные плановые показатели означает, что система моделей и решение с ее помощью плановых задач должна обеспечить выход на утверждаемые и контролируемые плановые показатели. Это условие влияет на степень детализации моделей, на разрабатываемые алгоритмы и программы расчетов и в значительной мере на состав входной информации.
Принцип необходимого разнообразия состоит в том, что для адекватного отражения объективных процессов в состав системы моделей следует включать разнообразные модели, в том числе реализующие методы математической статистики и математического программирования, межотраслевого баланса, сетевые и имитационные модели. Выбор математического аппарата для построения и реализации моделей должен определяться особенностью моделируемого процесса и возможностями программного и технического обеспечения расчетов.
Принцип взаимного дополнения групп моделей заключается в том, что для каждого из основных блоков системы моделей целесообразно выделять три взаимодополняющие группы моделей, имеющие специфическое направление. Модели первой группы предназначены для прогнозирования состояния ресурсов и ряда отправных показателей планирования. Модели этой подготовительной группы предназначены для обеспечения входной информацией расчета основных показателей плана. Вторая основная группа моделей включает модели для проведения основных оптимизационных и балансовых расчетов, для увязки плановых показателей производства, материально-технического обеспечения, финансирования. Модели этой группы обеспечивают выход на основные утверждаемые и контролируемые плановые показатели. И, наконец, модели третьей, заключительной, группы предназначены для дополнительных расчетов, например, для более детального представления ряда натуральных и стоимостных балансов, планов распределения ресурсов в объекте и других вспомогательных расчетов.
Принцип увязки моделей означает, что между моделями групп и блоками системы в целом должны устанавливаться три вида связей: логическая, информационная и алгоритмическая.
Логическая связь определяет общую последовательность реализации моделей в системе, логику взаимного согласования разнообразных моделей.
Информационная связь строится на базе того, что результативная информация этих моделей служит входной информацией для других. Информационная связь между моделями характеризуется горизонтальной и вертикальной связями. Горизонтальная - связывает модели для планирования в одном объекте. При этом поток информации от моделей долгосрочного планирования к моделям средне- и краткосрочного планирования называют ориентирующим потоком. Вертикальные связи между моделями служат отражением реальных связей в планировании производства между различными уровнями управления.
Алгоритмическая связь - совокупность алгоритмов и программ для преобразования входной и выходной информации по всей системе моделей.
Между общими и специфическими принципами построения системы экономико-математических моделей существует неразрывная связь. С учетом этих принципов строятся основные типы экономико-математических моделей.
2. Планирование размещения производственных объектов и предприятий. Оптимизация плана производства. Возможны два варианта постановки задачи оптимизации плана размещения и специализации сельского хозяйства. В первом используются фактические данные. Цель решения — экономический анализ фактического размещения и специализации данного объекта. Методика подготовки исходной информации основана на использовании отчетных данных преимущественно за последние 3-5 лет. На базе этих данных определяют средние фактические показатели — урожайность сельскохозяйственных культур, продуктивностьживотных, производительность труда, себестоимость единицы продукции, фондоемкость, затраты удобрений на единицу площади, ареалы размещения производства отдельных видов продукции.
Результаты решения задачи по фактическим данным позволяют оценить развитие, размещение и специализацию сельского хозяйства с точки зрения наилучшего использования имеющихся природно-климатических и экономических условий для обеспечения максимально возможного уровня производства. Анализ результатов даст возможность выявить недостатки в существующем размещении и специализации сельскохозяйственного производства и причины, найти производственные резервы, сделать конкретные выводы о том, в каком направлении должны идти совершенствование и углубление процесса размещения и специализации данного объекта.
Второй вариант предполагает составление прогноза или решение плановой задачи на базе соответствующей исходной информации.
На каждом уровне иерархии задачи оптимизации размещения сельскохозяйственного производства - очень больших размеров, реализовать их на малых и средних ЭВМ достаточно сложно. Существует несколько подходов к реализации таких задач.
Первый подход. Используется принцип разложения (декомпозиции) Данцига — Вульфа, при котором вначале решают отдельные задачи каждого блока, а затем составляют общую координирующую задачу, которую также решают методами математического программирования.
Второй подход. Двухэтапный метод,предложенный проф.Р. Г. Кравченко: на первом этапе разрабатывают и решают для каждого объекта серию задач по определению оптимальных структуры кормовой базы и годовых рационов кормления крупного рогатого скота при различной производственной специализации.
Задачи первого этапа в общих чертах разрабатываются в такой последовательности.
Для каждого объекта (региона) с помощью экспертных оценок рассчитывают наиболее целесообразную структуру стада. По крупному рогатому скоту, если это необходимо, разрабатывают структуру, соответствующую молочному и мясному направлениям производства; по овцеводству — мясному и шерстному (овчинному); по птице — яичному и мясному. По свиноводству и другим видам скота — разрабатывают структуру с замкнутым оборотом стада.
По рассчитанным структурам и с учетом прогнозируемой продуктивности животных и птицы определяют: нормы затрат кормов, обеспечивающие достижение прогнозируемой продуктивности (их устанавливают по общему количеству кормовых единиц и перевариваемого протеина — всего и раздельно в зимний и летний периоды содержания животных или птицы); предельные нормы содержания каждой группы кормов в рационе; помесячную потребность в зеленых кормах в пастбищный период (также с допустимыми интервалами); нормативы помесячных затрат труда с учетом прогнозируемой энерговооруженности; нормативы текущих издержек производства (без затрат на корма) и капиталовложений (фондоемкость отраслей).
Для каждого объекта разрабатывается перечень видов кормов и кормовых добавок. По ним должны быть определены: прогнозируемая урожайность с указанием содержания кормовых единиц и перевариваемого протеина в той части продукции, которая может быть использована на корм; содержание питательных веществ в кормовых добавках; ограничения по использованию кормовых добавок; возможные сроки скармливания кормов; издержки производства на гектар посевной площади на пашне и гектар естественных кормовых угодий (без учета затрат на удобрения), фондоемкость отраслей; нормативы затрат труда (помесячные) на гектар кормовой площади (или на доставку кормовых добавок) с учетом прогнозируемой энерговооруженности труда.
Расчет производится по критерию оптимальности — минимум производственных затрат (совокупных приведенных затрат) при производстве кормов, необходимых для содержания одной структурной головы животных (птицы). Как альтернативный может быть использован критерий — минимальные затраты пашни для производства кормов.
В результате решения задачи для каждого вида животных и птицы с учетом их производственной направленности будут получены показатели, характеризующие уровень затрат и выхода продукции в расчете на одну структурную или маточную голову животных (птицы).
Учитываются затраты: пашни (для посева сеяных кормовых культур), га; грубых кормов в зимнем рационе, ц корм, ед.; перевариваемого протеина в грубых кормах, ц; зеленых кормов в летнем рационе, ц корм, ед.; перевариваемого протеина в зеленых кормах, ц; труда (по периодам года), чел.-ч; денежно-материальных средств (без стоимости грубых и зеленых кормов), капиталовложений (суммарная фондоемкость), тыс. тенге.
Таким образом, рассчитанный субоптимальный вариант рациона кормления и соответствующая ему структура площадей кормовых культур представлены в виде одного вектора, коэффициенты которого полностью характеризуют отрасль животноводства и птицеводства по затратам и выходу продукции.
На втором этапе решается основная задача — оптимизация размещения сельскохозяйственного производства. Критерием оптимальности является минимум затрат на производство и перевозку продукции.
Переменными в модели выступают векторы по животноводству, полученные в результате решения задач первого этапа, сельскохозяйственные культуры товарного назначения, вспомогательные переменные различного характера Ограничениями в каждом блоке являются: использование производственных ресурсов — неорошаемой и орошаемой пашни, прочих сельскохозяйственных угодий; баланс грубых и зеленых кормов; использование удобрений; гарантированные объемы производства продукции; агробиологические условия сочетания отраслей и возможные ареалы их размещения.
Связующий блок имеет ограничения: по транспортным перевозкам; перераспределению общегосударственных ресурсов; объемам производства каждого вида продукции в целом по системе.
При таком подходе решить задачу даже с учетом 27 блоков можно на средних по мощности ЭВМ.
Третий подход предполагает два этапа разработки модели. На первом этапе на основании тщательного изучения конкретных природно-экономических зон, с учетом всех факторов, влияющих на развитие сельскохозяйственного производства, разрабатывают рациональные производственные типы предприятий с оптимальным сочетанием отраслей, то есть сходные по специализации и структуре, близкие по уровню интенсивности, размерам и пропорциям основных элементов сельскохозяйственного производства, а также комплексы, ведущие производство на промышленной основе.
В результате для каждой почвенно-климатической, природно-экономической микрозоны может быть рассчитано (сконструировано) с помощью экономико-математических методов и ЭВМ несколько наиболее характерных производственных типов предприятий. К примеру, для пригородных микрозон могут быть рассчитаны следующие оптимальные производственные типы предприятий: молочное с собственной кормовой базой; молочное со смешанной кормовой базой (корма частично поступают со стороны); промышленный комплекс молочного направления; чисто молочное; молочно-мясное с различной кормовой базой; молочно-овощное; кормопроизводящее и т. д.
По каждому производственному типу решается серия задач с различными критериями оптимальности — максимум прибыли, валовой, товарной продукции, минимум затрат совокупного труда, материально-денежных средств, максимум продукции в натуре, зерна, молока и др. Помимо разных критериев определяются несколько вариантов развития данного производственного типа при изменении параметров: структуры и состава отраслей, технологии, степени использованиявнутренних и дополнительно поступающих производственных ресурсов.
Для решения задачи по оптимальному размещению и специализации сельскохозяйственного производства на отдаленную перспективу нет необходимости привлекать все характеристики данного типа предприятия. В модели каждый производственный тип будет представлен одной переменной, которая будет характеризоваться следующими показателями (технико-экономическими коэффициентами): площадью сельскохозяйственных земель и их структурой, оптимальной для данного производственного типа предприятий; объемом товарной продукции, получаемой от предприятий (причем товарная продукция подразделяется на три группы — для непосредственного использования населением, перерабатывающей промышленности, передачи сельскохозяйственным предприятиям других производственных типов в качестве производственных ресурсов); объемами ресурсов, которые должны быть дополнительно привлечены со стороны (как постоянная характеристика, к примеру, определенный объем кормов для узкоспециализированных предприятий животноводческого типа); объемом дополнительно привлекаемых производственных ресурсов, необходимых для осуществления переориентации данного предприятия в другой производственный тип (за весь период развития); трудовыми ресурсами, характерными для данного оптимального производственного типа предприятия.