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.