CC BY
93
УДК 631.587:004.81 UDC 631.587:004.81
КОГНИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ COGNITIVE TECHNOLOGIES FOR
МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ SIMULATING OF A SYSTEM OF IRRIGATED
ОРОШАЕМОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ РЕГИОНА FARMING OF REGION
Иванов Павел Вадимович Ivanov Pavel Vadimovich
д.т.н., профессор Dr.Sci.Tech., professor
Костылев Владимир Иванович Kostylev Vladimir Ivanovich
к.т.н., доцент Cand.Tech.Sci., associate professor
Новочеркасская Государственная мелиоративная Novocherkassk State Land Reclamation Academy,
академия, Новочеркасск, Россия Novocherkassk, Russia
Моделирование системы орошаемого земледелия It is suggested to realize simulating of a system of
региона предлагается реализовать с помощью ког- irrigated farming by means of cognitive technologies.
нитивных технологий. Разработана когнитивная A cognitive map for interaction of irrigated farming
карта взаимодействия системы орошаемого земле- system with the environment is developed. Research
делия с внешней средой. Излагаются основы ис- principles for scenarios of system behavior of a simu-
следования на когнитивной модели сценариев по- lation model are stated
ведения системы
Ключевые слова: ОРОШАЕМОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ, Keywords: IRRIGATED FARMING, SYSTEMATIC
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД, ИМИТАЦИОННАЯ APPROACH, SIMULATION MODEL, COGNITIVE
МОДЕЛЬ, КОГНИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, TECHNOLOGIES, ENVIRONMENTAL FACTORS,
ФАКТОРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ, СЦЕНАРИИ РАЗ- DEVELOPMENT SCENARIO
ВИТИЯ
Для строгого научного обоснования масштабов, структуры и вариантов использования оросительных мелиораций необходим комплексный подход и адекватные проблеме системные методики. Как и ранее [1], будем рассматривать систему орошаемого земледелия (СОЗ) региона как сложную систему
Сложность анализа процессов и принятия управленческих решений в системах орошаемого земледелия региона обусловлена рядом особенностей:
- многоаспектностью происходящих в них процессов (экономических, социальных и т.п.) и их взаимосвязанностью; в силу этого невозможно вычленение и детальное исследование отдельных явлений - все происходящие в них явления должны рассматриваться в совокупности;
- отсутствием достаточной количественной информации о динамике процессов, что вынуждает переходить к их качественному анализу;
- изменчивостью характера процессов во времени и т.д.
Влияние орошаемого земледелия (ОЗ) на экологию региона и его социально-экономические показатели должно учитываться при создании модели эколого-экономической динамики системы орошаемого земледелия региона.
Для строгого научного обоснования масштабов, структуры и вариантов эксплуатации оросительных систем (ОС) необходим комплексный подход и адекватные проблеме системные методики. Такие методики должны учитывать:
1. Влияние новых форм собственности и новых форм организации производства на орошаемых землях.
2. Комплексный эколого-экономический критерий оценки вариантов проектных и эксплуатационных решений.
3. Влияние погодного и рыночного рисков на экономические результаты и экологические последствия орошаемого земледелия.
4. Динамику экономических и экологических характеристик орошаемых массивов и оросительных систем.
5. Современное соотношение цен на продукцию и ресурсы в расчетах экономических показателей орошения.
Адекватным инструментарием разработки таких системных методик может служить модель системной динамики Дж. Форрестера, применяемая для описания сложных по структуре и механизмам функционирования стохастических динамических систем.
Системный подход — единственно верная методология в изучении экономического потенциала ОЗ и в определении вариантов его наилучшего использования и развития.
Представляется целесообразным использовать для моделирования данной социально-экономической системы принципы системного анализа, предполагающего целостное рассмотрение развития и функционирования ОЗ со всей его структурной и функциональной организацией, со всеми
протекающими в нем экономическими и социальными процессами.
Важным этапом моделирования является построение схемы реальных причинно-следственных связей между частными процессами в одном временном цикле. При этом большую роль играет выделение контуров обратной (положительной и отрицательной) связи для каждой переменной, когда приращение ее определяется уровнем этой переменной в предыдущий момент.
Нами проведена адаптация общей модели системной динамики к специфике конструируемой модели эколого-экономической динамики системы орошаемого земледелия региона с учетом влияния современных факторов погодно-рыночного риска (рис. 1).
Предложенная модель с конкретизированными механизмами работы блоков и связей, воплощенная в компьютерные программные средства позволит экспериментально определить эколого-экономическую динамику систему в целом в связи с принятием тех или иных управляющих (проектных и эксплуатационных) решений и тем самым оценивать и отбирать те из них, которые являются лучшими по комплексному экологоэкономическому критерию.
Системы орошаемого земледелия регионов являются слабоструктурированными системами, к изучению которых может быть применен когнитивный подход и разрабатываемые на его основе когнитивные технологии, представляющие собой современные технологии системного анализа.
Когнитивный подход является универсальным научным инструментарием понимания поведения сложных систем [2]. Подход основан на графическом и теоретико-множественном описании систем посредством когнитивной (познавательно-целевой) структуризации знаний об исследуемом объекте и его внешней среде, причем объект и внешняя среда разграничиваются «нечетко».
Рисунок 1 - Общая схема имитационной модели системной экологоэкономической динамики орошения в регионе
Целью такой структуризации является формирование и уточнение гипотезы о функционировании исследуемого объекта. Объект рассматривается как сложная система, которая состоит из отдельных, но взаимосвязанных между собою элементов и подсистем. Кроме того, целью является выявление наиболее существенных (базисных) факторов, характеризующих «пограничный» слой взаимодействия объекта и внешней среды, а также установление качественных (причинно-следственных) связей между ними. Результатом структуризации знаний экспертов является построение когнитивной карты.
Когнитивная карта - это знаковый ориентированный граф (орграф):
G = <К E >,
в котором:
- V, I = 1, 2,..., k - вершины графа, характеризующие элементы изучаемой системы, взаимнооднозначно соответствующие базисным факторам ситуации, в терминах которых описываются процессы в ситуациях;
- Е, I = 1, 2,..., k - дуги, отражающие взаимосвязи между факторами V), которые определяются путем рассмотрения причинно-следственных цепочек, описывающих распространение влияний от каждого фактора на другие факторы.
Влияние факторов (V) в изучаемой ситуации может быть положительным, когда увеличение (уменьшение) одного фактора приводит к увеличению (уменьшению) другого, отрицательным, когда увеличение (уменьшение) одного фактора приводит к уменьшению (увеличению) другого, или отсутствовать (0).
Когнитивная карта, отражающая взаимодействие с внешней средой системы орошаемого земледелия региона приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Когнитивная карта взаимодействия системы орошаемого земледелия с внешней средой Когнитивную карту помимо графического изображения можно представить матрицей инциденций Ло. Отношение ау может иметь знак «+» или «-».
г -| 11, если ¥1 влияет на У у
о _ *-аУ% XV аУ ~ |0, если У не влияет на У у
Карта представляет две группы факторов: факторы-индикаторы и факторы среды, отражающие и объясняющие развитие процессов в исследуемой ситуации и их влияние на различные элементы когнитивной карты. В самом общем случае группу факторов среды могут составлять сле-
дующие факторы:
VI - общество;
у2 - экономика;
v3 - природа;
v4 - технологии и наука;
v5 - политика;
v6 - система орошаемого земледелия.
Группа факторов-индикаторов:
v7 - экологическая напряженность;
v8 - социальная напряженность;
v9 - обеспеченность продовольствием;
v10 - уровень жизни;
v11- производство;
v12 - инвестиции;
v13 - занятость.
Стрелки отображают взаимосвязи и направление влияния факторов друг на друга. Так сложившаяся экологическая напряженность (у7) негативно влияет на природный комплекс ^3), состояние которого является определяющим при функционировании системы орошаемого земледелия ^6). Последняя в свою очередь заинтересована в охране природы (обратная связь) как одному из важнейших условий обеспечения населения продовольствием ^9).
Обеспечение продовольствием (у9), помимо благотворного влияния на само общество ^1), является одним из показателей уровня жизни населения ^10), который зависит от объемов производства ^11), планируемого экономикой ^2) при соответствующей политической стратегии ^5). Последняя привлекает современные технологии и науку ^4) для увеличения производства ^11), что пока не позволяет избежать вредного воздействия на природный комплекс, вследствие чего повышается экологическая
напряженность ^7).
Когнитивная карта отображает лишь наличие влияний факторов друг на друга. В ней не отражается ни детальный характер этих влияний, ни динамика изменения влияний в зависимости от изменения ситуации, ни временные изменения самих факторов. Учет всех этих обстоятельств требует перехода на следующий уровень представления информации, отображенной в когнитивной карте, путем построения когнитивной модели.
На этом уровне каждая связь между факторами когнитивной карты раскрывается до соответствующего уравнения, которое может содержать как количественные, так и качественные переменные. При этом количественные значения переменных, входят в модель естественным образом в виде их численных значений. Каждой же качественной переменной ставится в соответствие совокупность лингвистических переменных, отображающих различные состояния этой переменной, а каждой лингвистической переменной соответствует определенный числовой эквивалент в шкале [0, 1].
По мере накопления знаний о процессах, происходящих в исследуемой системе, становится возможным более детально раскрывать характер связей между факторами, т.е. строить когнитивные модели различной сложности и учета различных факторов.
Исследование динамики объекта на когнитивных моделях требует построения сценария его поведения. Основным в данном подходе является понятие «ситуация». Ситуация характеризуется, прежде всего, набором количественных и качественных характеристик системы (управляющие воздействия, значения факторов) с помощью которых описываются процессы смены состоянии в сценарии.
Последовательность ситуаций, возникающих при наличии импульсов (управляющих воздействий) в вершинах когнитивной карты является сценарием развития ситуаций.
На основании разработанного сценария определяется курс действий, выбирается сценарий безопасного развития, сценарий устойчивого развития.
Структура когнитивного подхода отвечает всем общим требованиям анализа, в нее удобно «встраивать» специфические и новые методы (методы когнитивного анализа; методы анализа связности, сложности, устойчивости систем, представленных когнитивными картами, моделями, а также сценарный анализ динамики поведения объекта), которые порождаются особенностями системы орошаемого земледелия региона.
Применение когнитивного подхода является одним из вариантов использования системного подхода к решению задач управления развитием системы орошаемого земледелия региона в нестабильной среде, поскольку когнитивный подход обладает эффективными инструментами, которые позволяют:
- исследовать проблемы СОЗ, описываемые нечеткими факторами и взаимосвязями;
- выявить неявные и неочевидные взаимосвязи между процессами, происходящими в СОЗ и соответственно между выделенными на предыдущем этапе ключевыми проблемами в ее развитии;
- структурировать и формализовать знания о происходящих в СОЗ процессах и явлениях и получать новые знания о возможных изменениях в будущем;
- исследовать сложившиеся тенденции в системе;
- выявить благоприятные и неблагоприятные тенденции во внешней среде для развития СОЗ;
- прогнозировать возможные направления развития системы орошаемого земледелия и определять, какие из них являются перспективными с учетом выявленных тенденций во внешней среде;
- исследовать направления развития СОЗ и формировать на этой ос-
нове систему поддержки управленческих решений.
Метод когнитивных карт является не только хорошим вспомогательным средством для выяснения структуры исследуемой задачи, т.е. определение концептов (факторов), связей между ними и характер этих связей, но и методом поддержки принятия решений.
Когнитивная карта по мере погружения в проблемы орошаемого земледелия региона должна уточняться путем учета новых факторов и взаимосвязей, но предложенная нами карта играет роль стартовой для выявления наиболее общих закономерностей.
Таким образом, можно определить когнитивный подход как один из эффективных подходов к исследованию поведения системы орошаемого земледелия, в основе которого лежит создание когнитивной модели СОЗ и моделирования возможных сценариев поведения.
Список литературы
1. Иванов П.В., Костылев В.И., Трифонова Н.В. Системное обоснование масштабов орошения в засушливых регионах // Мелиорация и водное хозяйство. 2007. №4. С.21-23.
2. Горелова Г.В., Джаримов Н.Х. Региональная система образования, методология комплексных исследований. Майкоп, 2002. 360 с.
