Моделирование открытых систем в геоэкологии Текст научной статьи по специальности «Математика»

----------------------------------------------- © С.Л. Турков, 2009

УДК 338.24+519.866 С.Л. Турков

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ В ГЕОЭКОЛОГИИ

Рассмотрены проблемы моделирования открытых систем в геоэкологии с позиций геосистемного подхода, теории синергетики и новой теории энтропии А. Н. Панченкова (1999).

Ключевые слова: моделирование, открытые системы, геоэкология.

~П синергетике под «открытыми» понимаются физические

М.М системы, основной характеристикой которых является наличие внешних и внутренних каналов и приемников («стоков») всех возможных ресурсов, проявляющихся в процессах их собственного развития и межсистемного взаимодействия.

Применительно к геоэкологии подобные системы сегодня могут быть определены как активные сложные системы класса «природа-общество». Они представляют собой взаимно интегрированные целостности систем и объектов, свойства которых не могут быть сведены к свойствам составляющих подсистем, и рассматриваются как живые системы, где основным движущим механизмом функционирования и развития является конфликт (в условиях неопределенности). Их «активность» заключается в том, что они изучаются как самоорганизующиеся (в рамках теории синергетики -диссипативные) системы, которые далеки от состояния равновесия. Их «сложность» - тем, что они существуют и развиваются не в линейном, а в функциональном пространстве; согласно новой теории энтропии (Панченков А.Н., 1999), это условие «двойственности» существования всех известных физических (природных и социальных) систем. В нашем определении конфликт в таких системах заключается в стремлении природы сохранить свое физическое (материально-вещественное), энергетическое и информационное состояние в противовес стремлению человека его нарушить.

Сегодня геоэкология может быть определена как специализированная (междисциплинарная) область знаний о формах существования и пределах взаимодействия геосферных оболочек (или геосистем высшего уровня организации планеты: космо-, лито-,

педо-, гидро-, атмо-, био- и антропо- сферы; Арманд А.Д., 1988). Отсюда может быть предложена следующая формула геоэкологии. ГП, ЖР (объект - геосферы планеты, предмет - жизнеобеспечивающие ресурсы) ^ БС, НС (исходная теория - теория биосферы и ноосферы) ^ РВ, УР (цель - равновесие и устойчивое развитие); ГЛ, РН, ЛК (уровни управления - глобальный, региональный, локальный); КН (основное свойство - конфликт в условиях неопределенности; он реализуется в виде процессов природопользования различных уровней управления).

Перечисленные выше теории и отдельные положения в совокупности нами определяются как «метазнания» геоэкологии. Они представляют собой логически (теоретически, методически и технологически) связанные знания высшего уровня об объектной, предметной, проблемной (задачной) подобластях и методах исследования каждой конкретной науки, общая целевая функция которых направлена на принятие эффективных управляющих решений в процессе «коэволюции» (Н.Н. Моисеев, 1982) природы и общества. Технологически метазнания станут интеллектуальным «ядром», посредством которого - путем использования специализированных библиотек (объектов, стратегий, структур, ситуаций и процедур), -и будет обеспечиваться работа подсистем логического вывода будущих (высокоинтеллектуальных) систем планирования (или поддержки) принятия управляющих решений (СПР; Support (or Making) Decision Systems) в сфере природопользования.

В процессе информационного моделирования открытых систем в проблемной (задачной) подобласти геоэкологии сегодня могут быть выделены 7 классов задач управления: интерпретации, диагностики и мониторинга, планирования и реконструкции, прогноза, управления. Основные исходные условия их постановки сводятся к следующим аспектам и положениям. 1. При моделировании процессов развития любых территорий минимально допустимый системный уровень их представления должен состоять не менее чем из двух взаимосвязанных подсистем: «природа <=> общество». 2. Материально-веществен-ные, энергетические и информационные ресурсы этой системы должны быть постоянными; R = const. 3. Вне зависимости от класса исходной задачи, выходной - по целевой функции - всегда будет задача управления территориями. Согласно новой теории энтропии А.Н. Панченкова, 1999 - это взаимодействие консервативных и диссипативных систем в части баланси-

ровки структурной энтропии и энтропии импульса (Hf = Hq| Hp = const; Hf = Hq+Hp; Hp <=> Hq; где: Hf - общая энтропия системы; Hq - структурная энтропия, или мера совершенства структуры системы; Hp - энтропия импульса, или мера количества ее ресурсов).

Перечисленные выше задачи могут быть сгруппированы следующим образом. 1. Задачи интерпретации, диагностики и мониторинга - детерминированная постановка. 2. Задачи планирования и реконструкции - то же, пункт 1 + стохастические (вероятностные) постановки. 3. Задачи прогноза и управления - то же, пункт 2 + неопределенные и теоретико-игровые постановки. Для первой группы задач наиболее предпочтительны методы распознавания образов (РО), а для второй и третьей - методы теории игр (ТИ).

Сегодня геоэкология не имеет своих собственных (специализированных) методов изучения процессов развития систем класса «природа-общество. Для них особый интерес представляют методы исследования операций и ТИ, поскольку в основу их методологии положено моделирование не объектов, а возникающих на территориях ситуаций (по Ф. Капра, 1991; «переход от объектов к отношениям»). Их главное преимущество заключается в том, что они позволяют перейти от последовательных схем вычисления и принятия управляющих решений (экология ^ экономика и наоборот) к параллельным схемам (экология ^ экономика), т.е. в принципе реализуют главное условие проведения любых комплексных исследований: «двойственность» по целевым функциям реакций природы и общества на возмущающие воздействия. При этом может быть эффективно использована известная в информатике технология «сборочного конвейера», когда решение каждой вновь сформулированной задачи управления в общей схеме ее решения «складывается» из результатов прошлых решений по отдельным ситуациям. Это позволяет формировать специализированные банки знаний по территориям, технологиям производства, экологическим и чрезвычайным ситуациям и т.п., т.е. накапливать и эффективно использовать наши общие знания и опыт взаимодействия в системах класса «природа-общество» в пространстве и времени.

Общая модель управления природопользованием (в теоретикоигровой постановке) может быть представлена в виде: < Mx, My, Mz, F(f), ф,¥ >. Здесь управление рассматривается как процесс разумного и целенаправленного принятия решений, который определяется множествами состояний объекта управления и внешней сре-

ды (Mx, My), множеством функций лица, принимающего решения (Mz), действующего в направлении реализации функции управления (^), для достижения глобального и локального критерия оптимизации управления (F(f)) с учетом реакции объекта управления на управляющее воздействие и на реакцию внешней среды (ф).

Оптимум управления рассчитывается по формуле: Rt(S) = ((Hn(S,Q,t=0)} ^opt (Hsa(S,Qo,r,T)}). Где: Rt(S) - управляющее решение в ситуации S, или оценка качества состояния системы «природа-общество» на каждом шаге возможного перехода от исходной (t=0) структуры к планируемой структуре-аттрактору; t - время, teT; n - варианты решения (перехода); (Hn(S,Q,t=0)} - функция выигрыша по вариантам перехода; Q - фазовое пространство среды; (Hsa(S,Q0,r,T)} - планируемая структура-аттрактор (F в предыдущей модели) для глобального критерия оптимизации управления; Q0eQ; Г - новое фазовое пространство среды; ^opt - сложный оптимум, который (теоретически) представляет собой процесс «сжатия» расстояния (структуры, S(t)) и времени (T(t)) перехода от исходной к планируемой структуре-аттрактору. Под структурами-аттракторами в синергетике понимаются «...такие реальные структуры в открытых нелинейных средах, на которые выходят процессы эволюции в этих средах в результате затухания в них переходных процессов»; Князева Е.Н., Курдюмов С.П., 1992. гатш

Turkov S.L.

MODELING OF OPEN SYSTEMS IN GEOECOLOGY

The problems of modeling the open systems for geoecology are considered with position of geosystem approach, synergetics ’ theory and new theory of entropy by A. N. Panchenkov (1999).

Key words: Modeling, open systems, geoecology.

— Коротко об авторе ---------------------------------------------------

Турков Сергей Леонидович - кандидат экономических наук, старший научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Вычислительный центр ДВО РАН, г. Хабаровск,

E-mail: Turkov@khn.ru