Компьютерное моделирование плохо структурируемых экосистем
Казиев В.М.
При компьютерном моделировании плохо формализуемых и плохо структурируемых экологических систем необходимо придерживаться следующих простых важных принципов:
прогресс прикладной экологии невозможен без компьютерного моделирования;
классические модели экосистем справедливы и возможны при достаточно общих теоретических гипотезах и чаще можно ограничиться простыми моделями - для отработки эффективных технологий моделирования;
необходимо использовать как классические модели, так и неклассические, позволяющие, например, учесть пространственную структуру экосистемы, структуру её подсистем, опыт и интуицию и др.;
необходимо исходить из общедоступной входной информации, так как часто невозможен (дорог) соответствующий экологический мониторинг;
интерфейсно - ориентированное обеспечение этих моделей должно быть дружественно для пользователя - непрофессионала, например, эколога предприятия;
необходимо учитывать структурную активность и сложность экосистемы, внутрисистемную синергетическую способность экосистемы к саморегулированию, к противостоянию возмущениям среды с целью поиска эффективных обратных связей;
модели должны развивать экологическую, математическую, информационную, технологическую культуру пользователей.
С указанных позиций рассмотрим следующие компьютерные модели экосистем.
Модель (имитационная процедура) оценки загрязнения среды на основе оптимистической, реалистической и пессимистической оценок загрязнения среды и получения априорных оценок загрязнения. Работу этой процедуры продемонстрируем на примере. Рассмотрим экосистему, в которой загрязняющими факторами являются 11 загрязнителей: сероводород, аммиак, двуокись углерода, двуокись азота, серная кислота, ацетон, двуокись серы, стирол, фтористый водород, окись углерода и этилацетат. Производится регрессионный и корреляционный анализ воздействия каждого загрязнителя в отдельности и затем отыскивается нелинейная регрессионная связь по найденной системе базовых функций с использованием той или иной гипотезы распределения загрязнителей. По имитационной процедуре моделирования для слабо загрязняемых участков среды, например, вдали от источника загрязнения, получена оценка влияния концентрации загрязнителей на человека:
y=exp(-1.8+2.9x1+1733x2+11002.4x3+93.7x4+1980x5+1.6x6+26.2x7+34.7x8+42x9+3.5x10+0.1x11).
Получены априорные оценки загрязнения: М=0.572, =0.016.
Модель качественной и когнитивной оценки экологических воздействий, особенно, более существенных и определения, например, связей воздействий человека и вектора состояния экосистемы. Разработана модель позволяющая строить экспертные системы прикладной экологии. Приведем сценарий диалога с такой экспертной системой на основе нечёткой логики и нечётких множеств.
Экспертная система (04.06.96-Вторник, 11:23:37)
Входные данные:
1. Контроль над эрозией: 0.6 2. Сооружения для отдыха: 0.1
3. Ирригация: 0.9 4. Сжигание отходов: 1.0
5. Строительство мостов и дорог: 0.6 6. Искусственные каналы: 0.5
Плотины: 0.3 8. Туннели и подземные сооружения: 0.9
9. Взрывные и буровые работы: 0.45667 10. Открытая разработка: 0.567
11. Вырубка лесов: 0.345 12. Коммерческая охота и рыбная ловля: 0.234
13. Растениеводство: 0.678 14. Разведение и выпас скота: 0.648
15. Химическая промышленность: 0.2456 16. Лесопосадки: 0.54846
17. Удобрения: 0.6 18. Разведение диких животных: IGNORE
Автомобильное движение: 0.6 20. Трубопроводы: 0.0
21. Хранилища отходов: 0.0 22. Использование ядохимикатов: 0.2
Выходные данные (принятие решения - оценка ситуации):
1. Почва: 0.55177 2. Поверхностные воды: 0.52969
3. Состав вод: 0.62299 4. Состав воздуха: 0.61298
5. Температура воздуха: 0.48449 6. Эрозия: 0.59051
7. Деревья и кустарники: 0.54160 8. Травы: 0.59051
9. Сельхозкультуры: 0.51698 10. Микрофлора: 0.48702
11. Животные суши: 0.59804 12. Рыбы и моллюски: 0.51525
13. Насекомые: 0.56000 14. Заболачивание: 0.50000
15. Курорты на суше: 0.52729 16. Парки и заповедники: 0.54668
17. Здоровье: 0.62870 18. Занятость людей: 0.51196
19. Плотность населения: 0.55539 20. Соленость воды: 0.48750
Модель учитывающая поточечную структуру экологической среды, учитывающая сложность структуры среды, её неоднородность, например, фрактальность среды с загрязнителем (действие загрязнителя во фрактальном поле).
4. Модель распространения загрязнения в среде при наличии случайно распределённых загрязнителей, например, гипотетического загрязнения и очистки территории на карте КБР.
Модель динамики земельных ресурсов, например, выбиваемых из разряда плодородных. Моделируется гипотетическая экосистема с эффектом опустынивания земель.
Рассмотрены и другие компьютерные модели. Разработан компьютерный Интернет - учебник по моделированию и системному анализу.
Список литературы
Казиев В.М. Математические и компьютерные модели экологических систем. Тезисы докладов региональной научной конференции “Современные проблемы экологии”, часть 2, Краснодар-Анапа, 1996, с.87.
Казиев В.М. Экологические задачи - использование в обучении информатике. Там же.
Казиев В.М. О некоторых математических и компьютерных моделях загрязнения среды. Тезисы докладов Международной конференции “Нелокальные краевые задачи и родственные проблемы математической биологии, информатики и физики”, Нальчик,1996.
Казиев В.М. Математические и компьютерные имитационные модели экосистем. Известия КБНЦ, N1, 1998.