Общие принципы построения моделей экологических систем

Одним из главных принципов моделирования экологиче­ских объектов являются принципы системности. Основными из них являются принципы интегратизма, неопределенности, инвариантности, главных видов деятельности.

Принцип интегратизма заключается в том, что взаимоот­ношения части и целого характеризуются совокупностью трех элементов. Первый — возникновение взаимодействующих сис­тем - связей между частями целого; второй - утрата некото­рых свойств части при вхождении в целое; третий - появление новых свойств у целого, обусловленных свойствами состав­ных частей. При этом обязательна упорядоченность частей, детерминированность их пространственного и функциональ­ного взаимоотношений, часть становится компонентом инте­грального целого, внутренне объединенного.

Строя модель системы необходимо исходить из простых условий и шаг за шагом подниматься по восходящим ступе­ням иерархической градации, переходя к всевозрастающим ступеням усложнения модели.

Этот принцип пересекается с известным положением У-Эшби, который рассматривает общую теорию систем как об­щую теорию упрощения.

Принцип неопределенности предполагает, что "по краям" экологические процессы расплывчаты и неопределенны. Про­текая во времени, они постоянно изменяются, и если нам даже удастся установить какое-либо свойство или качество процес­са, то оно действительно только в рассматриваемый момент времени в данной ситуации. Иначе говоря, на микроуровне экологические процессы необходимо рассматривать с учетом случайного изменения факторов.

Принцип неопределенности позволяет также утверждать, что существует уровень факторов, когда их малые отклонения не влекут изменений в состоянии системы. Однако, чем слож­нее модель системы, чем глубже мы пытаемся анализировать ее, тем неопределеннее становится решение задачи и ее ре­зультаты дальше от практического смысла.

Принцип инвариантности(неизменности, неизменяемости, постоянства) заключается в том, что модель системы должна быть инвариантна для любых регионов, ор­ганизационных форм производства и изменение каких-либо условий не должно изменять существа модели.

Принцип главных видов деятельности состоит в том, что у разных экологических систем существуют "похожие" виды деятельности (управление, регулирование, распределение и т.п.), которые можно выделить как стандартные, они бывают неизменными на некотором промежутке времени и могут быть описаны некоторыми похожими моделями.

При моделировании объектов и представления их в виде систем необходимо учитывать общие свойства систем, напри­мер, такие как:

1) Целостность - устойчивые отношения между элемента­ми системы, при этом состояние любого элемента зависит от состояния всей системы, и наоборот;

2) Делимость - целостный объект должен быть изображен как расчлененный на элементы;

3) Изолированность - комплекс объектов, образующих сис­тему, и связи между ними можно выделить из их окружения и рассматривать изолированно. Изолированность системы от­носительна поскольку комплекс объектов, образующих систе­му, связан с наблюдателем и со средой через некоторые эле­менты, являющиеся входами и выходами;

4) Устойчивость - система должна нормально функционировать и быть нечувствительной к неизбежным посторонним возмущающим воздействиям;

5) Разнообразия - каждый элемент системы обладает соб­ственным поведением и состоянием, отличным от поведения и состояния других составляющих;

6) Идентифицируемость - каждый элемент системы может быть отделен от других составляющих;

7) Стабилизация - заключается в том, что система осущест­вляет восстановление своих элементов за счет их регулирова­ния;

8) Наблюдаемость - все без исключения входы и выходы системы либо контролируемы наблюдателем, либо по крайней мере наблюдаемы;

9) Неопределенность - наблюдатель одновременно не мо­жет фиксировать свойства и отношения элементов системы. Именно с целью их выявления он осуществляет системное исследование;

10) Нетождественность отображения - знаковая система на­блюдателя отлична от знаковой системы проявления свойств объектов и их отношений. Потеря информации при этом оп­ределяет нетождественность системы исследуемому объекту;

11) Адаптация - система сохраняет состояние подвижного равновесия и устойчивость к возмущающим воздействиям, которым она постоянно подвергается путем перестройки внутренней структуры и функций отдельных элементов. Она меняет свои рабочие характеристики в соответствии с изменяющимися внешними условиями или входного сигнала та­ким образом, чтобы постоянно улучшать показатель качества; система обеспечивает длительное и устойчивое функциониро­вание и развитие путем эволюции своих элементов, своей структуры и организации.

Любая система в процессе перехода от качественных опи­саний к количественным в некоторый момент достигает тако­го уровня, когда для фиксации связей в процессе изучения с помощью теории и эксперимента наиболее действенным ока­зывается использование математического аппарата. Если рас­сматривать экологическую практику как сочетание информа­ции, традиций и инструкции, то развитие познаний об эколо­гических системах можно условно представить в виде схемы, приведенной ниже на Рис. 1.

Рис. 1. Схемаразвития познаний об экологической системе

Экологические системы, как правило, можно рассматривать как иерархические системы, для которых характерны три важ­ных свойства:

1) каждый уровень иерархии имеет свой собственный язык свою систему концепций или принципов. К примеру, понятия "озоновая дыра", "мировая атмосфера" и др. лишены смысла на уровне исследования небольшого участка леса;

2) на каждом уровне иерархии происходит обобщение свойств объектов более низкого уровня,

3) взаимосвязи между уровнями не симметричны.

Для нормального функционирования объектов высшего уровня необходимо, чтобы успешно действовали объекты бо­лее низкого уровня, но не наоборот.

Модели делят на эмпирические и функциональные. Главная задача эмпирических моделей - описать, тогда как функциональное моделирование связано с попыткой дать объяснение описанному.

Разработка эмпирической модели остается на одном уровне системы. Разработка функциональной модели опирается на описание поведения системы в зависимости от подсистем бо­лее низкого уровня и тогда смежные уровни оказываются свя­занными посредством аналитико-синтетического процесса, опирающегося на соответствующие гипотезы или допущения. Любая функциональная модель в конечном счете уходит кор­нями в эмпиризм.

Всегда можно построить такую эмпирическую модель, ко­торая была бы согласована с опытными данными лучше, чем функциональная. Это следует из того факта, что эмпирическая модель практически свободна от ограничений, в то время как возможности функциональной модели, даже если она содер­жит хорошо регулируемые параметры, ограничиваются поло­женными в ее основу допущениями.

Модели систем можно также разделить на статические, ди­намические и стохастические

Статическая модель - эта математическая конструкция, в которую не включена переменная времени. Используется то­гда, когда система достаточно близка к равновесию.

Динамическая модель - учитывает изменение состояния системы в зависимости от времени. В нее часто включаются элементы из статических моделей.

Статические и динамические модели относятся к классу де­терминистских моделей, главная особенность которых заклю­чается в том, что любой прогноз они формируют в виде числа, а не в виде распределения вероятностей.

Стохастическая модель отличается тем, что в ней непре­менно присутствует одна или несколько случайных перемен­ных, заданных соответствующими законами распределения. Это дает возможность не только оценивать среднее значение прогнозируемого параметра, но и его дисперсию. Чем больше неопределенности в поведении системы, тем эффективнее оказывается стохастическая модель.

Модели систем играют значительную роль в понимании их функционирования и физической сущности и это заключается в следующем:

1) Гипотезы, выраженные математически, могут служить количественным описанием экологической проблемы и тем самым способствовать более углубленному ее пониманию;

2) Требования, предъявляемые моделью к математической завершенности описания, позволяет построить определенную концептуальную основу и с ее помощью четко ограничить те области, где знание проблемы еще недостаточно, т.е. стиму­лирует возникновение новых идей и проведение эксперимен­тальных исследований.;

3) Математическая модель части подсказывает способ представления результатов научных исследований в форме, удобной для исследования в практике;

4) Благодаря модели может быть оценена количественно экономическая эффективность результатов научных исследо­ваний, что стимулирует оперативное их внедрение в произ­водство;

5) Математическое моделирование, с помощью которого можно получить ответ на тот или иной специальный вопрос, а также сделать обоснованный выбор из ряда альтернативных стратегий, дает возможность сократить объем продолжитель­ных и дорогостоящих экспериментальных работ, выполнение которых было бы необходимым при отсутствии соответст­вующих моделей;

6) При исследовании сложных многокомпонентных объек­тов модель позволяет объединить разрозненные знания, ка­сающиеся отдельных частей такой системы, и выработать концепцию ее поведения как единого целого;

7) С помощью модели можно выбрать наиболее рацио­нальную стратегию и тактику реализации исследовательских программ, обеспечивая необходимую детальность изучения специальных вопросов и кооперацию отдельных направлений исследования;

8) Математическая модель - мощное средство обобщения разнородных данных об объекте, позволяющая осуществлять как интерполяцию (восстановление недостающей информации о прошлом), так и экстраполяцию (прогнозирование будущего поведения объекта);

9) Хорошо сконструированная модель позволяет наиболее полно использовать данные, получение которых, учитывая растущие требования к точности, обходится дорого;

10) Прогнозирующая способность модели может быть на­правлена на достижение самых разнообразных целей: плани­рования, оценки эффективности, прогнозирования и т.д.