1ostroshenko_v_v_ostroshenko_l_yu_sistemnyy_analiz_i_modeliro

В.В. ОСТРОШЕНКО, Л.Ю. ОСТРОШЕНКО

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОСИСТЕМ

Уссурийск 2012

ВВЕДЕНИЕ

Современный системный анализ – это прикладная наука, раскрывающая причины возникающих реальных проблемных ситуаций и направленная на выработку вариантов их разрешения.

Научно-технический прогресс и разнообразные задачи человеческой деятельности ставят нас перед необходимостью решения проблем, возникающих как перед экологическими системами, так и перед обществом – в целом. Разнообразные задачи деятельности человека связаны с поиском лучшего (оптимального) варианта решения. Необходимость в решении задач оптимизации в управлении лесным хозяйством непрерывно возрастает. Возможно множество вариантов решения. Однако необходим поиск единственного варианта, наилучшего из всех возможных.

Одной из предпосылок эффективного применения методов моделирования и оптимизации, является системный подход, основанный на том, что изменение системы в одной ее части сказывается, в конечном счете, и на функционировании остальных частей системы. Поэтому системный подход предполагает выявление всех существенных взаимосвязей в системе с соответствующим расширением сферы исследований. Трудности, связанные с получением и анализом большого числа допустимых решений, привели к необходимости применения математических методов.

При решении лесохозяйственных задач системный анализ часто приводит к необходимости экспериментального исследования элементов изучаемой системы. При их исследовании используют статистические методы, которые базируются на теории вероятностей. Знания системного анализа, основ математической статистики и теории вероятностей необходимы в настоящее время специалисту любой отрасли, в том числе и специалистам лесного хозяйства.

В настоящее время перед лесным хозяйством стоят сложные задачи по реорганизации. Успешное решение этих задач также связано с

4

совершенствованием управления лесохозяйственным производством путем использования методов системного анализа и последующего моделирования.

Учебное пособие «Системный анализ и моделирование экосистем» подготовлено в виде конспекта лекций в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по блоку ЕН, циклу «Общие математические и естественнонаучные дисциплины» направлениям подготовки 560900.62 «Лесное дело» (квалификация (степень) «бакалавр»), 250100.68 «Лесное дело» и слушателям ИПК.

Цель настоящего издания – помочь студентам и слушателям ИПК получить достаточный объем знаний и приобрести начальные практические навыки, необходимые при системном анализе возникающих проблем и их решении с помощью моделирования.

Студент и слушатель ИПК должен усвоить идею системного анализа и моделирования, как метода познания окружающей действительности,

которая охватывает практически все происходящие как в экосистемах, так и в целом - вокруг нас явления и в сочетании с математическими методами, становится методом получения эффективных решений.

5

методов от простых описательных и логических до довольно сложных, математических.

Технической основой системного анализа являются современные ЭВМ и информационные системы с широким использованием методов математического программирования, теории игр и т.д.

Основными системными принципами являются: целостность, струк-

турность, взаимозависимость системы и среды, иерархичность, множественность описания каждой системы.

Целостность – обобщенная характеристика, свойства которой несводимы к сумме свойств ее элементов и не выводимы из этих свойств

(целостность организмов более полной будет в популяции, популяции – в биоценозе и т.д. и свойства каждой системы несводимы к свойствам нижестоящих).

Структурность – установление структуры и взаимозависимости структурных элементов, обусловленности поведения системы ее структурой

(структура биоценоза, трофическая структура экосистемы и установление измеримых связей между трофическими уровнями, и др.).

Взаимозависимость системы и среды выражается в формировании и проявлении ее свойств в результате этого взаимодействия (взаимодействие биоценоза и биотопа, популяций в биоценозе и т.п.).

Иерархичность – это когда каждый компонент системы рассматривается как самостоятельная система, а сама исследуемая система является составной частью более широкой системы (уровни биологической организации, вплоть до глобальной системы – биосферы).

В целом, экосистемы – это сложные самоорганизующиеся и целенаправленные, со сложной иерархической структурой системы, требующие большого количества (множественного) описаний каждой подсистемы, что требует построения множества моделей, т.е. широкого использования методов моделирования при исследовании.

7

оказываются ограниченными. Именно такой областью познания является экология.

Модель должна соответствовать двум требованиям:

1)должна отражать лишь те особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания;

2)должна быть адекватна оригиналу (иначе представления о нем будут искажены).

Сам процесс моделирования можно разделить на 4 этапа:

качественный анализ, математическая реализация, верификация и изучение

моделей (рис. 1).

Первый этап моделирования – качественный анализ – является основой любого моделирования. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели. Этот этап обеспечивает соответствие модели двум вышеуказанным требованиям. Вид модели выбирается исходя из способа построения, характера самого объекта и др.

Первый этап построения модели предполагает наличие некоторых знаний об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели обусловливаются тем, что модель отображает (воспроизводит, имитирует) какиелибо существенные черты объекта-оригинала.

По способу построения все модели делят на два класса: материальные

и абстрактные.

Материальные модели по своей физической природе сходны с оригиналом. Они могут сохранять геометрическое подобие оригиналу (макеты, тренажеры, искусственные заменители органов и т.д.), подобие физических процессов с оригиналом – физическое моделирование (гидрологическая модель – течение воды и т.д.) и могут быть природными объектами

– прообразами оригинала, т.е. натурными моделями (метод пробных участков).

9