Системы поддержки принятия решений по управлению качеством окружающей среды

Назначение и архитектура систем поддержки принятия решений но охране окружающей среды

Методологические основы компьютерного моделирования экологических систем и принятия решений по охране окружающей среды

Компьютерное моделирование экологических систем

Компьютерные модели экосистем, которые программно реализуют на ПК математические модели экосистем, позволяют проводить вычислительные эксперименты для отображения экопроцессов. Исходными данными для разработки математических моделей являются наблюдения и измерения характеристик экосистем, полученные в результате контроля ОС и лабораторных исследований. Результаты компьютерного моделирования экосистем и компьютерная оценка воздействий ОС техногенных систем имеют важное значение для решения задач управления охраной ОС.

Разработка математических моделей и компьютерное моделирование, или вычислительный (компьютерный) эксперимент - важные инструменты принятия научно-обоснованных решений различных задач управления охраной ОС. Разработка и применение математических моделей - начальные этапы системного анализа объектов ОС.

Любая математическая модель, которая позволяет лучше понимать данную проблему, столь же важна как наблюдение и факты. Математическая модель - абстрактное формализованное описание объекта, процесса или явления реального мира. Математическое абстрагирование обычно связано с некоторым упрощенным формальным представлением реального объекта. Абстракция - основа системного анализа, который позволяет выявлять главные характеристики модели объекта ОС. Блок-схема процедуры математического моделирования экологических систем представлена на рис. 5.1.

На основе изменяющейся математической модели, без разработки компьютерной модели, необходимо создать алгоритмы и комплексы программ, которые позволяют провести компьютерное моделирование или вычислительный эксперимент. Результаты, полученные при компьютерном моделировании экосистем (вычислительном эксперименте) можно использовать для сравнения с результатами наблюдений и существующими знаниями о характеристиках реальной экосистемы и ОС.

Блок-схема процедуры разработки математической модели и компьютерного моделирования экосистемы

Рис. 5.1. Блок-схема процедуры разработки математической модели и компьютерного моделирования экосистемы

Изменения главных переменных состояния данной компьютерной модели обычно не будут полностью соответствовать изменениям переменных реальной экосистемы т.е. при использовании модели действительность искажается (возникает ошибка). Сравнение компьютерной модели с реальной экосистемой может быть сделано для оценки ошибок, которые происходят из-за того, что модель находится в недостаточном согласовании с реальной системой, т.е. математическая модель не адекватна реальной экосистеме. Компьютерная модель, должна неоднократно тестироваться для ее усовершенствования. Это может повторяться неоднократно для накопления более точных глубоких знаний о реальной экосистеме. После проверки адекватности математической модели (степень соответствия модели реальной экосистеме), она может быть применена для анализа других состояний той же самой экосистемы или даже к другим системам, которые непосредственно не были предметом изучения при создании этой математической модели. Проверка адекватности позволяет определить прогностические возможности моделей, т.е. степень прогнозирования. Использование моделей увеличивает наши собственные теоретические и экспериментальные знания - это важный метод анализа экосистем. Математическая и компьютерная модели используются для проведения вычислительного эксперимента и как инструмент специального исследования ОС.

Математические модели являются заменителями реальных экопроцессов и экосистем, но их параметры и характеристики должны быть сопоставимы с реальными объектами ОС. Следовательно, любое моделирование означает компромисс между теорией и практикой (экспериментом).

Разработка математических моделей экологических систем основана на блочно-модульном принципе моделирования. При использовании этого принципа математическая модель каждой экосистемы представляет собой взаимосвязанную совокупность типовых математических моделей, или блоков, некоторых процессов или явлений, представляющих собой модели переноса (вещества и/или энергии), модели использования ресурсов, модели кинетики химических и биохимических реакций, модели гидродинамики и др.

Модели переноса отображают процессы перемещения веществ в гидросфере, атмосфере и литосфере. Они основаны на предположении об эмиссии (характере выброса) и условиях перемещения веществ и предсказывают эмиссию в различных средах. Модели служат мощным информационным инструментом для предсказания нагрузок на ОС (оценки воздействия на ОС) в результате преднамеренного или непреднамеренного антропогенного воздействия. Выделяют два типа моделей переноса. Модели Эйлера, основанные на вычисленной сетке (на рассмотрении ячеек), и модели Лагранжа, которые рассматривают отдельные частицы.

Модели использования ресурсов принимают во внимание более широкое разнообразие взаимосвязанных явлений, чем модели переноса. Они требуют рассмотрения внутренних и внешних движущих сил и антропогенных взаимодействий. В частности для грунтовых вод и поверхностных водных систем существует много математических моделей, такие как модели самоочищения, модели эутрофикации (зарастание водоемов), которые описывают изменения количества и качества воды. Эти модели используются для управления водными ресурсами речных бассейнов.

В процессе приобретения знаний на основе анализа научно-технической литературы и анализа опыта наблюдений составляется предварительная математическая модель. Затем, предварительная математическая модель должна быть преобразована в формализованную гипотезу, на основе которой должны быть получены поддающиеся проверке выводы (заключения). Достоверность этих выводов (заключений) должна быть проверена с применением новых данных, не использованных при формулировке гипотезы. Если заключения оказываются правильными, то процесс познания может быть продолжен, иначе необходимо вернуться к предыдущему этапу.

Известны различные классификации математических моделей. Математические модели могут классифицироваться по их главным свойствам: общность, реалистичность или точность. Класс 1 включает модели, которые обобщают явления и пренебрегают реалистичностью и точностью. Класс 2 включает модели, которые являются реалистичными и общими, но менее точными. В классе 3 реалистичность преобладает над общностью и точностью. Другие классификации моделей учитывают динамику систем, вид математического описания, доступность данных, или тип используемых параметров.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >