Схема системного исследования

Общая схема системного - исследования предложена В.Д. Федоровым и Т.Г. Гильмановым (1980). Все рас­смотренные выше методы (наблюдение, эксперимент, моделирование) объединяются в единый процесс экологического исследова­ния, который должен осуществляться в рамках междисциплинарного исследовательского проекта.

Процесс системного исследования целесообразно разделить на ряд этапов, выполняемых последовательно или параллельно (рис. 7.6).

Постановка задачи и концептуализация. При реше­нии той или иной экологической проблемы (охрана природы, рациональное использование ресурсов, управление, прогноз эко­логического состояния и др.) можно выделить ограниченное и достаточное число наиболее существенных факторов, свойств или процессов. Назначение первого этапа состоит в выборе наиболее важных приоритетных задач, определяющих направление дальнейших исследований.

Рис. 7.6. Общая схема системного изучения экосистемы (по В.Д. Федотову, Т.Г. Гильманову, 1980)

Задача концептуализации состоит в том, чтобы суммировать известную информацию об изучаемой экосистеме в виде логичес­ки непротиворечивой концептуальной модели. Модель концентри­рует данные, необходимые для решения рассматриваемой пробле­мы. Определяется место изучаемой экосистемы в ландшафте, устанав­ливаются ее «входы» и «выходы», т.е. связи с соседними экосистемами, атмосферой, гидросферой, твердой средой, деятельностью человека и т.п. (рис. 7.7). Далее в модели характеризуются состав, структура и главные особенности санкционирования экосис­темы, т.е. определяются число компонентов и совокупность связей.

Рис. 7.7. Концептуальная модель внешних связей экосистемы (по В.Д. Федотову, Т.Г. Гильманову, 1980)

Спецификация и наблюдения. Назначение этапа специ­фикации состоит в том, чтобы определить состав входных пере­менных, переменных состояния экосистемы и, по возможности, строго задать отображение оригинала на модель. При специфика­ции указывается, с какими измеряемыми характеристиками экосис­темы и внешней среды сопоставляются переменные ее состояния, какие методы и единицы измерения используются. При этом целесооб­разно создавать автоматизированные компьютерные банки дан­ных. Принципиальная схема состава и структуры наземной и водной экосистем показана на рис. 7.8.

На основании спецификации и концептуальной модели плани­руются полевые наблюдения за динамикой изучаемых свойств экосистемы и прежде всего за переменными экологического сос­тояния и входными характеристиками. Результаты наблюдений используются на последующих этапах работы (идентификация, проверка и исследование модели). Кроме того, они могут служить основой для пересмотра в случае необходимости концептуальной модели, что показано на рис. 7.6 линией от блока 4 к блоку 2.

Идентификация и эксперименты. Задача идентифика­ции заключается в математическом описании соотношений между переменными, образующими структуру модели. В частности, основу структуры динамических моделей с n переменными состояния состав­ляют чаще всего n дифференциальных уравнений, выражающих закономерности изменения каждой из переменных во времени.

Рис. 7.8. Схема состава и структуры наземной и водной экосистем

При идентификации, как правило, возникает потребность в проведении полевых или лабораторных экспериментов с целью проверки различных гипотез о характере взаимосвязей между компонентами экосистемы или для оценок параметров известных зависимостей. Экспериментальные работы проводятся параллельно с другими стадиями исследования, вследствие чего возможно возвращение к предыдущим этапам и их повторение в новом цикле исследований с учетом дополнительной информации, полученной в результате эксперимента.

Реализация и верификация модели. После идентификации модели встает проблема ее реализации, т.е. нахожде­ния оператора, который позволит рассчитывать динамику состо­яния экосистемы во времени в соответствии с входными данны­ми и начальным состоянием. Обычно реализация осуществляется в виде программы расчета на ЭВМ. На этом этапе очень плодотворно сотрудничество экологов, владеющих основами программирования, с математиками, достаточно глубоко изучившими основы экологии.

Верификация модели (лат. verificatio - проверка подлинности) имеет целью проверить, в какой степени модель соответствует оригиналу. Оценка пригодности модели может быть дана на основе срав­нения с данными наблюдений и, главное, на основе опыта прак­тического использования модели как инструмента прогнозиро­вания, оптимизации и управления моделируемой системой. Од­нако предварительные сведения об адекватности модели необхо­димы в течение процесса ее построения.

Существует много способов оценки адекватности моделей. Р. Сайерт (1966) предложил, например, проверять способность модели воспроизводить такие характеристики эмпирических кривых, как число и распределение экстремальных точек во времени, амплитуда возмущений, средние значения переменных и др. Т.Г. Нейлор и Д. Фигнер (1975) предлагают производить сравнение статисти­ческих критериев модели и наблюдений: математического ожида­ния, дисперсий, асимметрий, эксцессов и др. Однако наиболее наглядным способом проверки модели является сравнение расчет­ных кривых ее состояния в рассматриваемом интервале времени с данными наблюдений за системой за тот же промежуток времени. Кривые могут быть построены по непрерывным или дискретным наблюдениям. Для оценки степени совпадения могут быть использо­ваны как численные значения характеристик, так и статистические показатели. При хорошем совпадении расчетных и эмпирических данных модель можно считать адекватной оригиналу и приступать к проверке других аспектов ее работы. Однако часто обнаружи­вается, что нет удовлетворительного совпадения результатов модели­рования с эмпирическими данными. В поисках причин приходится возвращаться к предшествующим этапам (чаще всего к этапу иден­тификации). После этого последовательность этапов повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое согласие. Эффективным способом проверки модели являются также имитация на ней разнообразных экспериментальных воздействий (орошения, удобре­ния, изменения температуры, течений и т.п.) и сравнение получен­ных результатов с данными реальных экспериментов.

Неспособность модели правильно предсказать последствия тех или иных воздействий является основанием для ее пересмотра. Но абсолютно точного воссоздания оригинала требовать от модели нереалистично. Поэтому при достаточно надежной концептуаль­ной модели и хороших критериях адекватности после нескольких проверок и исправлений обычно удается построить приемлемую модель и приступить к дальнейшему исследованию.

Заключительный этап основывается на исследовании мо­дели и оптимизации решений. Процесс исследования включает описание общих черт изменения состояний и поведения модели в зависимости от изменения входных данных. Один из основных разделов исследования - анализ «чувствительности» модели. Резуль­таты этой операции показывают, какие начальные условия, взаимо­связи между переменными, внешние факторы или другие парамет­ры оказывают наиболее сильное (или, наоборот, незначительное) влияние на поведение модели. После получения ответов можно решить, какие параметры должны определяться с высокой точностью, а какие могут задаваться приближенно при наблюде­ниях, экспериментах и идентификации. Данные теоретических исследований модели и результаты имитационных расчетов дают дополнительную информацию для оценки адекватности модели и необходимости ее дальнейшего усовершенствования.

В практической работе по охране или рациональному исполь­зованию природных экосистем человек может задавать и регулиро­вать те или иные воздействия с целью оптимизации их состояния в нужном направлении. Например, при управлении заповедни­ком стремятся к сохранению редких видов организмов, в агроэкосистемах - к получению высокого урожая. При управлении водоемом можно использовать принудительную аэрацию для оптимизации его экологического состояния и т.п.

При многоцелевом использовании природных ресурсов при­ходится сталкиваться с противоречиями. Например, трудно совмес­тить забор питьевой воды с пляжем или сбросом в водоем сточных вод. Поэтому часто решение оптимизационных задач носит компромиссный характер, обусловленный многофактор­ностью и множеством критериев качества. Методической осно­вой решения таких задач являются теория оптимального управле­ния и оптимизационные модели.

Заключение в системном анализе должно быть науч­ной основой реализации природоохранных проектов и указывать инструменты оптимизации состояний экосистем. Изучение любой экосистемы может продолжаться бесконеч­но долго. Однако каждый исследовательский проект должен иметь конечную цель и рано или поздно завершаться. В итоге должны намечаться перспективы будущих исследований.

Приведенная схема системного подхода к изучению экосис­тем, разумеется, не является универсальной и может быть моди­фицирована в зависимости от цепей и задач проекта, а также объема информационного обеспечения.

Дата добавления: 2015-07-20