Моделирование в экологии

Метод моделирования - это построение, проверка, исследование моделей и интерпретация полученных результатов.

Сущность моделирования состоит в том, что наряду с системой (оригиналом), которую можно обозначить Y⁰ (V⁰, X⁰, S⁰, F), рассматривается ее модель, в качестве которой выступает некоторая другая система Y(V, X, S, F), представляющая собой подобие оригинала S⁰. Соответствие оригинала модели принято обозначать f : (Y⁰) ® Y, где f- частично определенное отображение (то есть не все черты состава и структура оригинала отображаются модельно). Модель, как правило, представляет собой упрощенный образ оригинала, и это упрощение (огрубление) осуществляется отображением g, при котором из системы Y⁰сознательно удаляют некоторые элементы и связи и получают подсистему Y¢. В то же время модель должна, пусть и огрубленно, или, как называют в системном анализе, агрегированно, но в определенной степени верно отражать оригинал. Это осуществляется с помощью гомоморфного отображения подсистемы Y¢ на модель Y. Общее представление о модели иллюстрирует рисунок 20.

Рис. 20. Переход от системы-оригинала к модели.

На рисунке 20, а изображена система оригинала, внешняя среда которой V⁰ образована тремя элементами V₁⁰, V₂⁰, V₃⁰; внутренний состав X⁰ - четырьмя элементами x₁⁰, x₂⁰, x₃⁰, x₄⁰; структура представлена девятью связями: s ₁⁰:s ₉⁰.

Пусть, исходя из программы исследований, оказалось возможным исключить из системы S⁰ элемент x₄⁰, а также связи s₁⁰, s₇⁰, s₉⁰. Результатом такого упрощения явилось образование системы Y¢ (V¢, X¢, S¢, F) где V¢ = {v₁, v₂, v₃}, X¢= {x₁, x₂, x₃}, S¢ = {s₁⁰:s₆⁰}.

Следующее упрощение h сливает элементы v¢₁ и v¢₂ в один элемент v₁, элементы x¢₁ и x¢₂ - в элемент х₁, связи s¢₁ и s¢₂ - в одну связь s₁ , связи s¢₃ и s¢₄ - в связь s₂. В результате получается система Y= Y(V, X, S, F), где Х= (х₁, x₂), V= ( v₁, v₂), S = (s₁, (s₂, s₃, s₄ ) Следовательно, система Y является моделью системы .

В зависимости от задач, стоящих перед исследователем, и его возможностей, характера огрубления и степени агрегирования, для одного и того же оригинала можно получить несколько различных моделей. Стратегия моделирования состоит в том, чтобы путем упрощения получить модель, свойства и поведение которой можно бы было изучать с достаточной эффективностью. В то же время модель должна быть достаточно схожей с оригиналом, чтобы результаты изучения были применимы и к оригиналу. Переход от модели Y к оригиналу называется интерпретацией модели.

Основной проблемой перехода от системы оригинала Y⁰ к модели Y является установление закона функционирования F, после чего исследование системы Y⁰ можно заменить исследованием ее модели Y. С учетом закона функционирования результаты исследований модели Y можно интерпретировать применительно к системе оригинала. В результате при помощи моделирования в некотором приближении (в зависимости от приближения модели к оригиналу) может быть решена задача установления функции изучаемой сложной системы Y⁰.

Одним из преимуществ метода моделирования является возможность построения моделей с "удвоенной" реализацией, так как в зависимости от выбора реализации модели зависит сложность ее исследования.

В зависимости от задач исследования и особенностей системы-оригинала разрабатываются самые разнообразные модели, которые можно классифицировать по различным признакам:

1. Реальные (натуральные, аналоговые).

2. Идеальные (знаковые):

1. Концептуальные (вербальные, графические).

2. Математические:

1. Аналитические (оператор известен в аналитической форме):

1. Дискретные или непрерывные.

2. Детерминированные или стохастические.

3. Точечные или пространственные.

4. Статические или динамические.

2. Численные (имитационные):

1. Дискретные или непрерывные.

2. Детерминированные или стохастические.

3. Точечные или пространственные.

4. Статические или динамические.

По типу реализации модели подразделяются на реальные и идеальные. Реальные модели отражают наиболее значительные черты оригинала. Например, аквариум с растительностью, животным и микробным населением воспроизводит некоторые черты обитаемых водоемов хотя бы потому, что сам является водоемом. При работе с натурными моделями трудно установить степень адекватности модели оригиналу и, следовательно, обосновать возможность применения результатов моделирования к оригиналу. При натурном моделировании экосистем вопросы обоснования адекватности часто далеки от удовлетворительного решения. С трудностями технического характера (преодоление их не всегда приводит к решению поставленных задач) связано также создание и использование натурных моделей экосистем.

Поскольку экосистемы представляют собой сложные для изучения объекты, наибольший эффект при проведении исследований может быть достигнут в результате использования комплекса различных методов, взаимосвязанных между собой.

Следовательно, современная экология выступает научно-естественной основой разработки и осуществления комплексных многодисциплинарных проектов изучения экосистем как целостных динамических объектов, включающих живые и неживые компоненты. Для раскрытия функционирования и целостных свойств экосистемы в эти проекты необходимо включать рассмотрение ее связей с соседними экосистемами.