Применение системного анализа в экологии
Поскольку системный анализ представляет собой скорее способ мышления, нежели определенный набор рецептов, приведенный выше перечень должен рассматриваться только как руководство к действию. При решении конкретных задач некоторые этапы могут быть исключены или изменен порядок их следования, иногда придется повторить эти этапы в различных комбинациях. Например, может оказаться необходимым пересмотреть роль исключенных из рассмотрения факторов, что потребует пройти несколько раз стадии моделирования и оценки возможных стратегий. Аналогичным образом может проверяться адекватность целевой структуры исследования, для чего придется время от времени возвращаться к одному из ранних этапов даже после выполнения значительной части работы на более поздних этапах анализа. Самые плодотворные модели будут «копировать» реальную ситуацию с той точностью, которая позволит получить спектр решений и удовлетворит широкий круг людей, принимающих решения. Стадия принятия решения, таким образом, не всегда бывает четко определена, окончательное решение может приниматься уже после завершения формального научного исследования.
Цель описанного выше многоэтапного системного анализа состоит в том, чтобы помочь выбрать правильную стратегию при решении практических задач, в данном случае в области экологии. Структура этого анализа направлена на то, чтобы сосредоточить главные усилия на сложных и, как правило, крупномасштабных проблемах, не поддающихся решению более простыми методами исследования, например наблюдением и прямым экспериментированием. Из-за сложности проблем, для решения которых применяется системный анализ, предполагается использование ЭВМ для обработки и анализа данных, моделирования и выбора альтернативных решений. Однако ни использование ЭВМ, ни привлечение математического аппарата не является основной особенностью системного анализа.
|
|
|
Основной вклад системного анализа в решение различных проблем обусловлен тем, что он позволяет выявить те факторы и взаимосвязи, которые впоследствии могут оказаться весьма существенными, что он дает возможность так изменять методику наблюдений и эксперимент, чтобы включить эти факторы в рассмотрение, и освещает слабые места гипотез и допущений. Как научный метод системный анализ с его акцентом на проверку гипотез через эксперименты и строгие выборочные процедуры создает мощные инструменты познания физического мира и объединяет эти инструменты в систему гибкого, но строгого исследования сложных явлений.
Экология как наукаимеет дело с разнообразными взаимодействиями между огромным количеством организмов. Почти все эти взаимодействия динамические в том смысле, что они зависят от времени и постоянно изменяются. Более того, взаимодействия часто имеют ту особенность, которую в технике называют обратной связью, т.е. характеризуются тем, что некоторые эффекты процесса возвращаются к своему источнику или к предыдущей стадии, в результате чего эти эффекты усиливаются или видоизменяются. Обратные связи бывают положительными (усиление эффекта) и отрицательными (ослабление эффекта). Сама обратная связь может быть достаточно сложной, включая в себя ряд положительных и отрицательных эффектов, а последствия могут зависеть от факторов внешней среды. Примером может служить кривая Рикера (1979) между родительским стадом и пополнением молодью, которая используется во многих моделях водных экосистем.
|
|
|
Сложность экосистем не ограничивается наличием разнообразных взаимодействий между организмами. Живые организмы сами изменчивы– это одна из важнейших их особенностей. Эта изменчивость может проявляться либо при взаимодействии организмов друг с другом (например, в процессе конкуренции или хищничества), либо в реакции организмов (коллективной или индивидуальной) на условия окружающей среды. Она может заключаться в изменении скорости роста и воспроизводства или даже в различной способности к выживанию в сильно различающихся условиях. Когда к этому добавляются происходящие независимо изменения таких факторов среды, как климат и характер местообитания, исследование и регулирование экологических процессов и экологических систем превращаются в трудную задачу. В результате анализ даже относительно неизменной экологической системы весьма сложен. Традиционная стратегия эколога в таких условиях состоит обычно в том, что он обращает свое внимание на малые подмножества реальной проблемы.
|
|
|
Когда в экологическом исследовании рассматриваются эффекты намеренного воздействия на экологические системы, тем самым вводится еще одно измерение изменчивости и взаимодействия. Например, в принципиальных вопросах прикладной экологии лесоводства и земледелия или рыболовства для некоторого упрощения обычно рассматривают поведение лишь одной культуры, вида, однако подобные исследования почти ничего не говорят нам о том, как будет вести себя система как целое в ответ на изменения, вызванные хозяйственной деятельностью человека. В частности, влияние данной культуры на почву и на другие виды, входящие в состав той экосистемы, в пределах которой произрастает данная культура, изучается довольно редко в основном из-за трудностей проведения экспериментов, которые нужно поставить, чтобы проверить правильность гипотез необходимой степени сложности. Еще труднее распространить идеи комплексного подхода на экологические эффекты, возникающие, например, при землепользовании или эксплуатации морских экосистем, где рассматривается несколько альтернативных стратегий развития и управления биосистемой и средой.
|
|
|
Из-за внутренней сложности экологических взаимосвязей, характерной для живых организмов изменчивости и очевидной непредсказуемости результатов постоянных воздействий на экосистемы со стороны человека, экологу необходимо упорядочить и логически организовать свои исследования, которые уже выходят за рамки последовательной проверки гипотез. Прикладной системный анализ дает возможную схему такой организации– схему, в которой экспериментирование является составной частью процесса моделирования системы, так что сложность и изменчивость сохраняются в той форме, в которой они поддаются анализу. Специалисты по системному анализу не объявляют свой подход к решению сложных проблем единственно возможным, но считают, что это самый эффективный подход. Если бы был иной, они бы им воспользовались.
По самой своей природе экологическое исследование часто требует больших масштабов времени. Например, исследования в области земледелия, садоводства или рыболовства связаны с определением урожайности, а урожай собирается раз в год, так что один цикл эксперимента занимает один год и более. Для лососевых хозяйств цикл горбуши– два года, кеты– 4–5 лет. Чтобы найти оптимальное количество удобрений и провести другие возможные мероприятия по окультуриванию, может понадобиться несколько лет, особенно когда рассматривается взаимосвязь с погодой. В лесоводстве из-за длительного круговорота урожаев древесины самый непродолжительный эксперимент занимает 25 лет, а долговременные эксперименты могут длиться от 40 до 120 лет. Аналогичные масштабы времени часто необходимы и для проведения исследований по управлению природными ресурсами. Все это требует извлекать максимальную пользу из каждой стадии экспериментирования, и именно системный анализ позволяет построить нужную схему эксперимента.
Современное состояние экологии как науки с ее крайней рассредоточенностью научных усилий настоятельно требует введения некоей объединяющей концепции (теории, как правило несовместимы, не изучена правомочность допущений и т.д.). В данном случае системный анализ можно рассматривать как альтернативные гипотезы, при этом сам системный анализ часто будет подсказывать, какие контрольные эксперименты необходимо провести, чтобы сделать выбор.
Вопросы для самопроверки:
1. Определение системного анализа.
2. Принципы системного анализа.
3. Сущность системного подхода.
4. Применение системного анализа в рыбном хозяйстве и природопользовании.
5. Определение системы и ее элементов.
6. Способы классификация систем (по обусловленности действия, по происхождению, по взаимодействию со средой, по степени сложности, по величине, размеру, по признаку изменения во времени.
7. Классификация систем по совокупности признаков – способу создания и особенностям их функционирования.
8. Обязательные элементы системного анализа.
9. Методы системного анализа.
Рекомендуемая литература: [1-5 ].
Тема 2. системы и модели
Состав и свойства систем
В настоящее время для понятий «сложная система» и «большая система» используют такие понятия:
Сложная система - упорядоченное множество структурно взаимосвязанных и функционально взаимодействующих разнотипных систем, которые объединены структурно в целостный объект функционально разнородными взаимосвязями для достижения заданных целей в определенных условиях; большая система объединяет разнотипные сложные системы.
Тогда определение системы можно записать как:
Система - упорядоченное множество структурно взаимосвязанных и функционально взаимодействующих однотипных элементовлюбой природы, объединенных в целостный объект, состав и границы которого определяются целями системного исследования.
Характерные особенности больших систем:
· значительное количество элементов;
· взаимосвязь и взаимодействие между элементами;
· иерархичность структуры управления;
· наличие человека в контуре управления и необходимость принятия решений в условиях неопределенности.
Закономерности больших или сложных систем позволяют рассмотреть их основные свойства независимо от физической природы (устойчивость, развитие, адаптация, саморегулирование и др.).
Целостность системы. Здесь рассматривается две взаимосвязанных стороны:
· свойства системы, как целого, не являются суммой свойств элементов или подсистем;
· свойства системы, как целого, зависят однозначно от свойств элементов, подсистем.
В этом проявляется сложность системы, ее поведение относительно внешней среды и внутреннее развитие. При выделении отдельных элементов или подсистем они также могут быть сложными системами, но для других задач.
При оценке целостности выделяется два фактора:
· прогрессирующая факторизация, т.е. стремление системы к такому состоянию, когда отдельные части приобретают независимость;
· прогрессирующая систематизация, т.е. уменьшение системой определенной автономности элементов или систем.
Интегрированность системы - эта закономерность соединена однозначно с предыдущей (целостностью), но интегрированность подчеркивает внутренние процессы системы. Главным в интегрированности являются системообразующие и системосохраняющие факторы.
Для сложных систем управления и компьютерно-интегрированных структур этими факторами являются ЭВМ и микропроцессорные средства, объединенные в соответствующие сети.
Коммуникативность системы. Эта закономерность характеризует особые связи системы с внешней средой, дает возможность выделить элементы, как системы низших порядков. Коммуникативность проявляется в потоках информации, а также в структурах, т.е. в сетях разного уровня и назначения, в том числе.
Иерархичность системы - это закономерность, которая показывает, что живая природа и технические системы всегда имеют несколько уровней организации, принятия решений, задач и т.д. Здесь главными являются такие стороны:
· с помощью иерархических представлений можно отображать системы с разными неопределенностями;
· определение количества уровней, построение всей иерархической системы всегда зависит от задачи и от цели системы.
В теории систем определяющим являются понятия функции или задачи, которые распределяют по уровням на подзадачи, т.е. образовывается иерархическая структура подзадач. Иерархической структуре подзадач отвечает своя структура математических моделей и ограничений. Эти две структуры находят отображение в технической структуре, т.е. в иерархии технических средств.
Общими признаками сложных систем (биологических, технических, социально-экономических) является то, что каждая из них представляет собой структурно организованную совокупность более простых частей (подсистем), взаимосвязанных и взаимодействующих в процессах целенаправленного функционирования системы.
Каждая из систем входит как подсистема в состав более крупной системы (старшего ранга); в свою очередь подсистемы (кроме элементарных), могут представляться как системы младшего ранга.
Системы взаимодействуют с внешней средой, которая реализуется через внешние связи: входные и выходные.
Процесс функционирования системы в узком смысле - процесс преобразования ресурсов на входе в целевые конечные результаты основной деятельности на выходе.
Эффективность основной деятельности системы характеризуется отношением целевых конечных результатов к затратам ресурсов на достижение этих результатов и на устранение (или ограничение в допустимом диапазоне) отрицательных следствий функционирования.
Целеустремленность процессов функционирования проявляется в намерении поддерживать и повышать высокую эффективность системы, адаптируясь к изменениям внешней среды.
Процессы функционирования системы (в широком смысле) - совокупность процессов основной деятельности вразных по масштабам процессов развития и усовершенствование систем.
Система – совокупность элементов, определенным образом связанных между собой и образующих некоторую целостность. Говоря о связях между объектами подразумевают как физические, материальные взаимодействия, так и мысленные, логические связи. При изучении природных систем изучают, прежде всего, физические взаимодействия. Конкретную систему можно считать однозначно охарактеризованной, если заданы: набор элементов, структура, набор возможных состояний и поведение.
Элементы – взаимодействующие составные части системы. Количество элементов может быть любым целым числом не менее двух. Свойства элементов в общем случае ограничены только одним: на воздействие других частей системы элемент реагирует как нечто целое. Это значит, что при математической записи процесса взаимодействия элемент можно обозначить одной переменной. Тем не менее каждая составная часть реально существующей системы может быть сложной, представлять собой систему второго порядка. В зависимости от уровня, на котором производится исследование, его детальности, за элементы можно принять подсистемы различного порядка.
В качестве элементов физико-географической системы можно, в зависимости от задач исследования, принять: почвы, растительность, животный мир в целом и т.д., или части этих компонентов: популяции животных или растений, составные части почвенного покрова, или вообще отдельные особи.
|
 |
Набор возможных состояний. Состояние системы определяется как состояние всех ее элементов. Теоретически возможный набор состояний должен быть равен сумме возможных сочетаний всех возможных состояний элементов. Однако взаимодействие составных частей системы приводит к ограничению числа реализуемых сочетаний из-за влияния, например, экологических факторов таких как конкурентные отношения и условия среды.
Изменение состояний элементов во времени и пространстве может происходить непрерывно – переменная может занимать любое положение на числовой оси, и дискретно, т.е. скачками. Системы, построенные из элементов первого типа, называют непрерывными, а из элементов второго типа – дискретными. Абсолютно непрерывные и абсолютно дискретные явления представляют собой абстракцию. В природе существуют явления, обладающие одновременно свойствами непрерывности и дискретности а разных соотношениях. Если изменения изобразить в форме кривой распределения плотности вероятности появления в координатах пространства или времени , то степень дискретности может быть определена как отношение тангенсов углов самого крутого участка кривой и самого пологого. От этих соотношений а также от задач и точки зрения наблюдателя зависит отнесение конкретного элемента системы к той или иной категории. Каждое явление может быть представлено в дискретной форме, если точками наибольшего изменения в пространстве (времени) рассматривать как резкие границы между участками неизменных состояний. Другой способ дискретизации переменных величин – выделение конечного множества различимых состояний или множества состояний, ограниченных любыми, заранее заданными пределами. Явления можно также представить в непрерывной форме, если предположить, что все известные нам значения переменных величин – лишь отдельные реализации процесса, происходящего без перерывов.
Экосистемы состоят из элементов, для которых характерна разная степень дискретизации их свойств. Например, механический состав почв и глубину грунтовых вод удобнее рассматривать как непрерывные характеристики, а количество особей животных на некоторой площади выражается целыми числами. При включении в модель тех и других характеристик они должны быть приведены к единой форме – непрерывной или дискретной.
Поведение. Закономерный переход системы из одного состояния в другое, обусловленный свойствами элементов и структурой. Можно различать зависимое или вынужденное движение системы и самодвижение. В первом случае система следует за изменяющимися внешними условиями, во втором – изменения происходят при неизменном состоянии среды и определяются структурой.
Состояние всех природных комплексов изменяется под влиянием длиннопериодических изменений климата, тектонических движений и т.д. При этом каждый комплекс, изменяясь вынужденно, реагирует на внешнее влияние по-своему. Например, в результате постепенного уменьшения количества осадков на некоторой территории в речных системах уменьшится расход, в озерах – снизится уровень и повысится соленость, в растительных ассоциациях – снизится обилие влаголюбивых видов и повысится обилие сухолюбивых. Самодвижение экосистем можно наблюдать при одноразовом резком изменении внешних условий. Так, при создании водохранилища, оказавшиеся в зоне влияния водоема ландшафты, прежде чем достигнут нового состояния равновесия, проходят некоторый путь развития, включающий ряд стадий. Смена стадий уже не вызывается сменой внешних условий. В теории систем такое самодвижение называется переходным процессом. Разновидностью равновесного климаксного состояния биоценоза можно считать периодические автоколебательного движения типа хищник-жертва.
Для характеристики взаимодействия системы с внешней средой выделяют вход и выход системы. Входом может быть любой из элементов, через который осуществляется воздействие извне. Обратное влияние на среду может происходить через любой из элементов системы. Обычно выделяют выходы, отличающиеся наибольшим воздействием на среду, или по каким-то другим признакам. Важным критерием по выбору выхода системы для исследователя является его доступность для непосредственного изучения. Неопределенность входов и особенно выходов – одно из отличий природных комплексов от большинства конструкций, созданных руками человека, где вход и выход четко различаются и однозначно определены в структуре системы.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1741; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!