Загальна характеристика методiв дослiдження та аналiзу у екологii.

Методи моделювання. Класифiкацii моделей.

Современные промышленные предприятия и научно-производственные комплексы, научно-исследовательские и опытно-конструкторские центры функционируют в условиях жесткой конкуренции – массовое производство, снижение цен на транспортировку товаров, дешевая рабочая сила способствуют этому.

При формировании как стратегических, так и многих тактических решений руководитель вынужден учитывать многочисленные, нередко взаимно противоречивые соображения и опираться на сложные критерии эффективности путей достижения конечных целей. Быстро принимать решения помогают различные методы моделирования.

С быстрым развитием ЭВМ и соответствующего ПО повышается значимость имитационного моделирования. Если для классических математических методов исследования операций было необходимо некоторое время для составления модели и ее решения, то сейчас есть возможность анализировать ситуацию, выбирая диапазон изменения входных переменных для имитационной модели. Часто они имеют графическую оболочку, примеры можно найти на сайте [16], это ускоряет процесс усвоения информации и принятия решений.

Рассматриваемые методы моделирования представлены в табл. 1.

Таблица 1. Методы моделирования.

Метод	Описание	Область применения	Достоинства метода	Недостатки метода
Математическое моделирование	Составляется математический «эквивалент» процесса или объекта, отражающий его основные свойства.	Любые процессы, поддающиеся математическому описанию.	Широкая область применения.	Зачастую достаточно сложно построить модель адекватно учитывающую все факторы.
Статистическое моделирование	Модель основывается на выявленных статистических закономерностях.	Процессы, по которым можно собрать массив статистических данных.	При наличии качественных данных метод точен и, при использовании специализированного ПО, прост в применении.	Большие требования к статистическим данным.
Экономико-математическое моделирование	Раздел включает в себя методы для решения экономических задач.	Экономические процессы.	Метод способен моделировать экономические процессы.
Имитационное моделирование	Изучаемая система заменяется моделью с достаточной точностью описывающей реальную систему, с ней проводятся эксперименты с целью получения информации.	Метод используется когда дорого или невозможно использовать реальную модель и/или аналитическую модель.	Создается максимально приближенная к реальности модель, можно управлять временем системы и другими ее характеристиками.	Сложность описания всех условий и требования вычислительной мощности.
Физическое моделирование	Экспериментальное моделированное, основанное на физическом подобии уменьшенной в размерах модели.	Применяется при невозможности применения аналитического метода или воспроизведения в реальном размере.	Область применения, недоступная другим методам.	Метод может дать надежные результаты лишь при соблюдении физического подобия модели.
Натурное моделирование	Моделью является материально или мысленно представляемый объект, в достаточной степени повторяющий свойства, существенные для моделирования.	Применяется для проведения ряда тестов над моделью. Примеры – различные этапы прототипирования на производстве.	Возможность протестировать объект моделирования в реальных условиях.	Затраты на создание модели могут быть высокими.

Системний пiдхiд у моделюваннi та прогнозуваннi стану навколишнього середоваща.

Поняття базавоi класичноi моделi у екологii.

 

Модель необмежаного росту Мальтуса.

Модель конкуренцii двох видiв.

 

 

Загальна характеристика методiв дослiдження та аналiзу у екологii.

Традиционное деление экологии на общую, (изучение ос­новных принципов организации и функционирования био­логических систем) и частную (изучение конкретных групп живых организмов) отражает не столько проблематику эко­логии как науки, сколько различие в характере и методах конкретных исследований.

Определенная иерархическая соподчиненность и функци­ональная взаимозависимость биологических систем различ­ных уровней определяют главную задачу экологии, которая состоит в изучении организменного, популяционного и биоценотического уровней организации экологических систем.

При таком подходе деление экологии на аутэкологию (эко­логию отдельных видов) и синэкологию (экологию сообществ и биогеоценозов) отражает реальные пути исследований, определяемых практическими запросами.

В соответствии с этим в настоящее время основными ме­тодами экологии являются:

• полевые наблюдения, позволяющие получить конкрет­ные сведения о состоянии отдельных видов и популяций; их роли в существовании определенной экологической систе­мы; зависимость от деятельности определенных групп орга­низмов, антропогенного влияния; изменении численности популяций и т.д.

• эксперименты в природных условиях, позволяющие моделировать ту или иную ситуацию, последствия ее разви­тия для конкретного сообщества организмов, биоценоза или биогеоценоза;

• математическое моделирование процессов и ситуаций, встречающихся в популяциях и биоценозах с помощью вы­числительной техники; математическое моделирование позволяет произвести количественную оценку изучаемых про­цессов и явлений. Математическое моделирование позволя­ет с большой долей достоверности, используя накопленные данные, прогнозировать возможное развитие тех или иных процессов и ситуаций в экологических системах. Однако, используя математические приемы, эколог должен помнить, что в связи с наличием у сложных экологических систем большого числа степеней свободы, а также параметров, за­висящих от времени, к этим системам не могут применять­ся классические, жестко детерминированные алгоритмы управления и прогнозирования. Иными словами, математи­ческий расчет в экологии может и должен ориентировать при решении практических вопросов, но не может и не дол­жен предсказывать конкретные частности. Однако развитие количественных методов исследования, превращающих эко­логию в точную науку, является потребностью времени.

Надорганизменные системы, которые изучает экология — популяции, биоценозы, экосистемы — чрезвычайно слож­ны. В них наблюдается огромное количество взаимосвязей, прочность и постоянство которых постоянно меняются. Одни и те же внешние воздействия могут привести к различным, иногда прямо противоположным результатам, в зависимос­ти от того, в каком состоянии находилась система в момент воздействия.

Предвидеть ответные реакции системы на действия кон­кретных факторов можно лишь через сложный анализ су­ществующих количественных отношений и закономернос­тей. Поэтому в экологии широкое распространение получил метод математического моделирования как средство изуче­ния и прогнозирования природных процессов.

Одной из первых экологических моделей была модель Вольтерра-Лотки. В любом биоценозе происходит взаимо­действие между всеми элементами: особи одного вида взаи­модействуют с особями и своего вида, и других видов. Эти взаимодействия могут быть мирными, а могут иметь связь типа «хищник-жертва». Было замечено, что численность хищных рыб колеблется в обратной пропорции относитель­но колебаний численности мелких рыбешек, которые слу­жат им пищей. Анализ этих колебаний позволил математи­ку Вито Вольтерра (1860 — 1940) вывести необходимые урав­нения. Если бы в биоценозе было только два вида (очень большое упрощение), то даже и в этом случае динамика чис­ленности каждого из видов сильно отличалась бы от карти­ны их независимого существования.

Кроме ситуаций «хищник-жертва» и «конкуренция-со­существование» может моделироваться ситуация «симбиоз». Модель симбиоза отражает кооперацию отдельных видов в борьбе за существование, когда один вид помогает или по­кровительствует другому (кооперация пчел, кооперация де­ревьев). Математические модели, настроенные на устойчи­вость такой системы, показывают, что при достаточно боль­ших начальных значениях численности всегда будет проис­ходить экспоненциальный рост популяций, что в определенных случаях соответствует действительности. Биосфера сформировалась по собственному плану без участия челове­ка. Качественно новый этап в развитии биосферы начался с появлением человека в конце третичного периода. Сначала деятельность человека мало отличалась от деятельности дру­гих существ. Добывание огня выделило человека из ряда других животных. При этом человек не только сумел рассе­литься в районы холодного климата, пережить оледенения и защититься от хищников, но и научился уничтожать орга­нические остатки, вмешиваясь в круговорот веществ в био­сфере. Сейчас происходит интенсивная перестройка приро­ды в результате человеческой деятельности. Перед челове­чеством вырисовывается угроза голода, самоотравления, разрушения биологической основы наследственности. Для предотвращения угрозы надо знать ее причины. В этих це­лях строились глобальные экологические модели.

Первой моделью прогнозирования расхода ресурсов была модель Т. Мальтуса (1798), который исходил из геометри­ческого роста численности населения и арифметического роста средств существования. Последующий опыт проиллю­стрировал упрощенность и ошибочность этого подхода.

Дж. Форрестер (1970) предложил динамическую мировую модель, учитывающую изменение численности населения, ка­питальных вложений; природных ресурсов, загрязнение сре­ды, производство продуктов питания. Принятые в модели вза­имосвязи достаточно сложны. Например, рост численности на­селения поставлен в зависимость от его плотности, обеспечен­ности питанием, уровня загрязнения окружающей среды, на­личия ресурсов, материального благосостояния; темп смертно­сти увязан с уровнем жизни, питанием; загрязнение среды связано с объемом фондов и т.д. Многофакторная модель Форрестера позволяет рассматривать динамику показателей состоя­ния мировой системы в зависимости от варьирования различ­ных факторов. Одним из результатов исследования Форрестера были графики расхода природных ресурсов при стабилиза­ции численности населения, фондов и «качества» жизни.

Группа Д. Мероуза (1972) построила динамическую мо­дель на базе пяти основных показателей: ускоряющаяся индустриализация, рост численности населения, увеличе­ние числа недоедающих, истощение ресурсов, ухудшение окружающей среды. В модель заложен большой набор част­ных связей, в три раза больше, чем в модели Форрестера. Прогноз по модели Мероуза по различным вариантам пока­зал, что вследствие исчерпания природных ресурсов и рас­тущего загрязнения в середине XXI века произойдет миро­вая катастрофа. Единственным вариантом для ее исключе­ния может быть стабилизация численности населения и уве­личение объема промышленности, стимулирование капита­лом развития сельского хозяйства.

Модель М. Месаровича и Э. Пестеля (1974) отличается размерностью и детальностью связей. В ней содержится бо­лее ста тысяч уравнений, описывающих мировую систему как совокупность региональных систем. Авторы выделили наиболее крупные страны (Россия, Китай, Вьетнам и др.) и регионы (Северная Америка, Западная Европа, Северная Африка и др.), 10 групп населения, 5 категорий машин, 2 разновидности сельскохозяйственного производства, 19 раз­новидностей промышленного капитала, 5 видов капитала в энергетике. На базе этой модели авторы рассмотрели раз­личные сценарии развития мировой системы.

В Пенсильванском университете создана система совмес­тного функционирования национальных моделей. Ее мате­матическая часть состоит из более чем 20 тысяч уравнений.

Группой экспертов ООН под руководством В. Леонтьева в конце 70-х годов разработана межрегиональная модель межотраслевого баланса мировой экономики.

В конце тех же 70-х годов под руководством Н.Н. Моисе­ева была разработана математическая модель биосферы «ГЕЯ». Она состояла из двух взаимосвязанных систем. Пер­вая описывала процессы, происходящие в атмосфере и оке­ане. Вторая — круговорот веществ в природе. В ее основу положены такие локальные модели, как испарения с повер­хности океана и конденсация воды в атмосфере, поглоще­ние углекислоты морской водой, перенос энергии атмосфе­рой, реакции фотосинтеза, отмирание растений, распреде­ление биомассы на поверхности Земли и др. На базе модели «ГЕЯ» был выполнен расчет различных сценариев измене­ния климата на планете под воздействием ядерного взрыва, крупного пожара, извержения вулкана, создания крупного локального топливно-энергетического комплекса, изменения горного ландшафта.

В первой половине 80-х годов ученые различных стран создавали глобальные математические модели с целью про­гнозирования последствий ядерной войны. Наиболее обшир­ными были модель американского астронома К. Сагапа и модель «ГЕЯ». В значительной степени эти исследования I стимулировали политические решения государств по сокращению ядерного вооружения.

Практически в построении математических моделей слож­ных процессов выделяются следующие этапы:

• тщательное изучение тех реальных явлений, которые нужно смоделировать; выявление главных компонентов и установление законов, определяющих характер взаимодей­ствия между ними; формулировка тех основных вопросов, ответы на которые должна дать модель;

• разработка математической теории, описывающей изу­чаемые процессы с необходимой детальностью; на ее основе строится модель в виде системы абстрактных взаимодействий; установленные законы должны быть облечены в точную ма­тематическую форму; конкретные модели могут быть пред­ставлены в виде логической схемы машинной программы;

• проверка модели — расчет на основе модели и сличение результатов с действительностью. При этом проверяется правильность сформулированной гипотезы. При значитель­ном расхождении модель отвергают или совершенствуют. При согласованности результатов модели используют для прогноза, вводя в них различные исходные параметры.

Расчетные методы, в случае правильно построенной мо­дели, помогают увидеть то, что трудно или невозможно про­верить в эксперименте; позволяют воспроизводить такие про­цессы, наблюдение которых в природе потребовало бы ог­ромных сил и больших промежутков времени;

В настоящее время моделируют различные по масшта­бам и характеру процессы, происходящие в реальной среде. Математическими моделями описываются и проверяются разные варианты динамики численности популяций, про­дукционные процессы в экосистемах, условия стабилизации сообществ, ход восстановления систем при разных типах на­рушений. Строятся математические модели по регулирова­нию промыслового усилия, модели промышленных популя­ций; модели трофических связей по решению проблемы с вредителями, модели эксплуатации лесного хозяйства, стра­тегические модели использования сырья, математические модели выбора способов производства, модель оптимизации платы за воду и многие другие;

В настоящее время необходимы глобальные математиче­ские модели, в которые входили бы подсистемы взаимодей­ствия между атмосферой и водой, атмосферой и поверхностью почвы, процессы в каждом из элементов окружающей среды, взаимодействие верхнего слоя атмосферы с космосом, меха­низмы саморегулирования в природе, влияние деятельности человека на окружающую среду. При значительном объеме возможностей подобная модель должна быть достаточно де­тальна для регионов Земли. На такой модели можно будет оценить крупные инженерные решения, деятельность городов, варианты гидросистем, размещение заводов и т.д.