2.2. Концептуальные модели экологических систем

Концептуальная (качественная или обобщенная) модель, или содержатель­но-смысловая модель экологической системы отражает либо на ограниченном естественном языке предметной области - биологии, гидрологии, аэродинами­ки, физики, химии и др., либо в специальной наглядно-графической форме предполагаемую исследователем сущность основных процессов и явлений, происходящих в исследуемой экосистеме. Концептуальные модели также назы­ваются качественно-смысловыми моделями исследуемых процессов и явлений в экосистемах.

Разработка концептуальной модели экосистемы является начальным эта­пом в процедуре математического моделирования экосистем. Концептуальная или содержательно-смысловая модель включает перечень основных перемен­ных и параметров экосистемы. Концептуальная модель является инструментом содержательного описания экосистемы в рамках конкретных целей моделиро­вания. Для каждой экосистемы можно разработать достаточно широкий спектр концептуальных моделей, которые учитывают различные компоненты экоси­стемы и связи между ними. Не возможно дать общие рекомендации относи­тельно разработки того или иного вида концептуальной модели. Это зависит от задачи моделирования, типа экосистемы, класса модели и в некоторой степени также от индивидуальных предпочтений разработчика математической модели экосистемы. Процедуру разработки математической модели необходимо начать с создания концептуальной модели, иллюстрирующей основные представления разработчика об экосистеме.

В общем случае хорошее знание предметной области и целей математиче­ского моделирования способствуют разработке правильной концептуальной модели. При разработке концептуальных моделей необходимо ответить на сле­дующие вопросы:

• Какие элементы и процессы в реальной экосистеме являются важными для целей математического моделирования?

• Что должно быть результатом математического моделирования?

• Какие математические соотношения или математические операторы сле­дует использовать для разработки математической модели сложной эко­системы?

На рис.2.2 представлена концептуальная модель в виде блок-схемы экоси­стемы, которая дает представление о структуре и переменных экосистемы.

Основные этапы разработки концептуальных моделей экосистемы:

1. Формулировка целей исследования и моделирования.

2. Формулировка задач исследования и моделирования. Задачи могут быть следствием общих наблюдений за экосистемой или диктоваться практическими потребностями экологического менеджмента.

3. Определение физических и временных границ моделируемой экосисте­мы. Выделение границ подразумевает составление перечня основных компо­нент экосистемы. Определение основных характеристик и единиц измерения исследуемых экосистем.

4. Установление взаимосвязей между компонентами и разработка первич­ного варианта концептуальной модели экосистемы. В большинстве случаев первичный вариант концептуальной модели представляет собой некоторую блок-схему с обозначением входных, внутренних и выходных переменных.

Описание различных режимов поведения экосистемы с использованием концептуальной модели. Как правило, эти описания основаны, прежде всего, на хорошем знании предметной области, т.е. знании сущности физических, физи­ко-химических, биологических, гидрологических явлений, происходящих в экосистеме. При составлении описания концептуальной модели весьма важен опыт разработчика и учет экспертных оценок высококвалифицированных спе­циалистов.

Основные типы концептуальных моделей: текстовые описательные мо­дели; иллюстративные модели.

При составлении блок-схем используется понятие «черного ящика», когда уравнения модели формулируются в терминах вход - выход. Сами передаточ­ные функции черных ящиков не известны и не используются разработчиком модели. Такие модели могут быть использованы только для известных матема­тических соотношений между входом и выходом. Для других наборов данных будут использоваться другие соотношения между входом и выходом. «Белый ящик» учитывает конкретный вид передаточных функций отдельных блоков. На практике в большинстве случаев используются смешанные «серые ящики».

Модели типа «вход - выход». Эти модели лишь слегка отличаются от блок-схем указанием конкретных численных данных на входах и выходах модель­ных блоков.

Матричные модели. Матричные модели описывают перекрестные связи между компонентами экосистемы. При наличии связи между i-м и j-м компо­нентами системы элемент матрицы . В противном случае

Взвешенные, ориентированные (направленные) графы, аналогичные схе­мам информационных потоков, используемых в программировании.

Двудольные графы. Знаки плюс и минус в двудольных графах используют­ся для обозначения положительных и отрицательных воздействий компонентов экосистемы друг на друга.

Энергетические цепи или энергетические графы экосистем. Они предна­значены для описания термодинамических переменных, обратных связей и по­токов энергии в системе.

Состав систем уравнений математических моделей экосистем:

1. Внешние переменные экосистем (воздействующие силы и управления).

2. Внутренние параметры и переменные экосистем (элементы, отдельные блоки, основные показатели).

3. Математические уравнения, логические выражения, математически сформулированные условия и ограничения.

4. Уравнения взаимосвязей.

5. Универсальные константы и параметры экосистемы.