Разработка инструментального средства для решения системных задач в экологии

Швецов, Григорий Васильевич

Автореферат диссертации по теме "Разработка инструментального средства для решения системных задач в экологии"

На правах рукописи

Швецов Григорий Васильевич

РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ СИСТЕМНЫХ ЗАДАЧ В ЭКОЛОГИИ

03.00.16 - экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Краснодар - 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

ЧИЖИКОВ Владимир Иванович

доктор физико-математических наук, профессор

УРТЕНОВ Махамет Али Хусеевич

кандидат физико-математических наук, доцент

ЛЕЖНЕВ Алексей Викторович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО

«Ставропольский государственный

университет»

г. Ставрополь

Защита состоится «23» декабря 2005 года в и часов на заседании диссертационного совета Д 212.101.07 при ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет» по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская , 149, ауд._

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет».

Автореферат разослан

« »

ноября 2005 года

Ученый секретарь диссертационного сов

Евдокимов А.А.

1ЫЦ07

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Осознание угрозы экологической катастрофы заставляет все глубже осмысливать характер взаимодействия человека с природой. Возникающие повсеместно экологические эксцессы наглядно показывают, что антропогенная трансформация природных экосистем не должна нарушать потенциальную способность агроэкосистем к саморегуляции, а сложившиеся природные потоки вещества и энергии в них не должны превосходить экологически допустимые пределы.

Усиливающаяся деградация почв сельскохозяйственных угодий Краснодарского края проявляется зонально в виде эрозии, дефляции, оползней, переувлажнения, переуплотнения, дегумификации, слитизации, подкисления, загрязнения. В почвах заповедных территорий эти проявления деградации почв отсутствуют.

Перечисленные негативные явления снижают бонитет почв, увеличивают затраты энергии при возделывании сельскохозяйственных культур до 50%, материальных средств на 25-35%, вызывают недобор урожая на 10 -30%, ухудшают экологическую обстановку. Общий ущерб от них в предгорьях Западного Кавказа ежегодно превышает стоимость получаемой сельскохозяйственной продукции [2, 3].

Агроландшафтное земледелие - это очень сложная многоуровневая система, состоящая из многочисленных динамически взаимодействующих друг с другом подсистем [1]. Так, агроландшафтные системы земледелия Западного Кавказа, адаптированные к природным, экологическим и экономическим условиям региона, включают 80-90 показателей. Сам Западный Кавказ имеет 5 типов макрорельефа, 7 геоморфологических районов, 3 класса с 8 видами погоды, 5 агроклиматических районов (от холодного до субтропического), 30 типов почв, более 300 рек, 9 водохранилищ, перепад абсолютных высот местности от 0 до 3256 метров над уровнем моря, 7 групп агроландшафтов и многоукладные хозяйства с различными формами собственности. Такое многообразие условий определяет множество моделей агроландшафтного земледелия, из которых землепользователю необходимо выбрать лучшие, чтобы заказать их спроектировать, ввести их в действие, а затем освоить. Следствием далеко не оптимального выбора в этой многофакторной и многовариантной ситуации является одна из главных причин деградации почв предгорий Западного Кавказа. Она заключается в неправильной системе ведения хозяйства, заимствованной из равнинных степных районов, неадаптированной к сложным и разнообразным условиям природно-территориальных комплексов предгорий по иным типам почв, климата и микроклимата, рельефу, геологии и гидрологии, составу биоценозов, наличию вертикальной зональности, большой чувствительности ландшафтов к антропогенным воздействиям [2].

Научными учреждениями Западного Кавказа и других регионов Рос» РОС. ПАЦИОНЛЛГпая 1 | библиотека I

сии разработано достаточно большое количество приемов, технологий и рекомендаций для устранения почворазрушительных процессов, регулирования водного режима, повышения плодородия почв и других показателей эффективности сельскохозяйственного производства [1-5]. Однако до сих пор нет полного решения одной из сложнейших задач агроландшафтного земледелия, связанной с установлением закономерностей энерго- и массо-обмена в агроэкосистемах. Решение ее позволит создать теоретический фундамент для разработки приемов и способов направленного регулирования этих процессов.

Комплексное решение вопросов, связанных с рациональным природопользованием и обеспечением устойчивого развития сельского хозяйства требует сочетания различных методов описания динамики агроэкологи-ческих систем и соответствующего научного обеспечения.

Компьютерное моделирование дает принципиально новый подход к решению почвенных, агрохимических и экологических проблем. Однако при использовании его для решения конкретного вопроса необходимо: а) отразить в модели наиболее существенные свойства системы-оригинала; б) оптимально разбить систему на более простые подсистемы; в) получить основные характеристики целой (полной системы) по закономерностям, выявленных для ее подсистем. К сожалению, все эти три вопроса часто решаются на уровне «здравого смысла».

Поэтому возникла необходимость разработки инструментального средства для решения системных задач в экологии (в частности агроландшафтного земледелия), пригодного как для выбора оптимальной модели агроландшафтного земледелия конкретным землепользователем, так и для получения ответов на выше перечисленные проблемы в компьютерном моделировании.

Объектом исследования является агроландшафтное земледелие.

Предметом исследования является математическое обеспечение принятия оптимального управленческого решения в агроландшафтном земледелии.

Целью диссертационной работы является разработка компьютерного инструментального средства для решения системных задач, возникающих в агроландшафтном земледелии.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Проанализировать причины проявления негативных явлений в экологии, связанных с деградацией почвы.

2. Разработать методику выявления взаимосвязей между компонентами сложной экологической системы на основе принципов системологии.

3. Написать комплекс' системных программ, позволяющих путем последовательного абстрагирования полевых данных выявить параметри-

чески инвариантные свойства отдельных элементов, входящих в состав сложной экологической системы, с помощью которых находится оптимальный вариант взаимодействия их в составе полной экологической системы.

4. На основе произведенных исследований реализовать на компьютере инструментальное средство, позволяющее решать системные задачи в экологии. Примером таких задач может служить декомпозиция выделенной хозяйству территории на отдельные полевые участки по возделыванию сельскохозяйственных культур так, чтобы не нарушить экологического равновесия с окружающей средой, обеспечить воспроизводство плодородия почвы и оптимальную урожайность при данных агроклиматических условиях.

Положения, выносимые на защиту.

1. Главная причина напряженной экологической ситуации в агро-экологической системе связана со сложностью выбора существенных оценочных показателей и установления скрытых взаимосвязей в сложной многокритериальной агроэкологогической системе при принятии управленческих решений.

2. Компьютерный метод выявления параметрически инвариантных характеристик подсистем, входящих в полную систему, отображающую исследуемый объект агроландшафтного земледелия.

3. Комплекс системных программ, позволяющих выбрать оптимальный вариант для объединения отдельных элементов агроэкосистемы.

4. Спроектированное и реализованное на компьютере инструментальное средство для решения системных задач в экологии на примере агроландшафтного земледелия.

Научная значимость результатов исследования заключается в совершенствовании методов обработки экспериментального массива данных, полученных в агроландшафтном земледелии, с целью выявления параметрически инвариантных связей между ними на основе методов системоло-гии.

Спроектированный и отлаженный макет инструментального средства для решения системных задач позволяет:

1) выявлять существенные параметры, определяющие состояние конкретного элемента агроэкологической системы;

2) выявлять скрытые взаимосвязи между ними, что необходимо для запуска процессов восстановления плодородия почвы;

3) дает оптимальный вариант декомпозиции сложной агроэкосистемы на более простые подсистемы, что необходимо землепользователю при разделении конкретной агроландшафтной полосы на отдельные поля;

4) позволяет землепользователю произвести оптимальный выбор сельскохозяйственной культуры и технологию по ее возделыванию на кон-

кретных полях данной агроландшафтной полосы.

Благодаря использованию системного подхода полученный макет легко может быть адаптирован для решения одноименных проблем и в других разделах экологии.

Созданный макет инструментального средства целесообразно использовать в дальнейших научных исследованиях для анализа информации, заложенной в Геосети РФ, а также при решении задач математического моделирования с целью определения существенных свойств моделируемых экологических систем.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что спроектированное инструментальное средство целесообразно использовать:

1. в структурах агропромышленного комплекса при принятии оптимального решения о целесообразности возделывания той или иной сельскохозяйственной культуры на конкретном рабочем участке;

2. при анализе полученной урожайности сельскохозяйственных культур на всех полях конкретного хозяйства;

3. в математическом моделировании при выборе наиболее существенных свойств моделируемого объекта и установлении скрытых закономерностей при анализе больших массивов собранных опытных (полевых) данных.

Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций обосновывается применением апробированной методологии системного анализа и системологии, сопоставлением получаемых с помощью инструментального средства результатов по обработке опытного массива данных с экспертными оценками специалистов.

Апробация результатов исследования. Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Кубанского госуниверситета, на VI международной конференции «Экология и здоровье человека. Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии» (7-12 сентября 2000 г. Криница), на VIII международной конференции «Образование. Экология. Экономика. Информатика» (Астрахань. 15-20 сентября 2003 г), XXX научной конференции студентов и молодых учёных вузов Южного Федерального округа. (Краснодар, март, 2003 г.), на I и II Всероссийских научных конференциях молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». (Анапа, 2004 и 2005 гг.).

Личный вклад соискателя. По части разработок самостоятельно составлены алгоритмы для иерархических систем, входящих в состав структурированной системы, которые синтезированы в макет инструментального средства для решения системных задач в области агроландшафт-

ного земледелия.

Материалы диссертационной работы были опубликованы в 8

печатных работах (тезисы и материалы международных и российских конференций, статьи в реферируемом журнале).

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, приложения. Содержание работы изложено на 133 страницах, набранных в редакторе \Vord-2000, содержит 12 рисунков и 9 таблиц, оглавление, список цитируемой литературы из 126 наименований и список публикаций из 8 наименований Приложение включает листинг программы и словарь использованных в работе терминов.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность профессору В.И. Чижикову, который поддерживал эту работу в течение всего времени ее выполнения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, определены цели и задачи работы, выделены основные результаты, показана их научная новизна, научная и практическая ценность, приводятся основные положения, выносимые на защиту, излагается структура диссертации.

В первой главе дан анализ наблюдаемых негативных проявлений почворазрушительных процессов. Рассмотрены законы экологии в земледелии, современное состояние земельных ресурсов, глобальные функции почвы, разновидности ее деградации, биологические требования к условиям произрастания сельскохозяйственных растений и агроэкологические требования к их возделыванию, сущность и причина экологических противоречий в агропромышленном производстве, механизмы экологизации земледелия.

Почвозащитные комплексы агроландшафтного земледелия включают ресурсосберегающие экологически сбалансированные, высокопродуктивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур (РЭТ), опирающиеся на взаимодействие множества динамически изменяющихся факторов. Для принятия обоснованного решения по успешному выбору адаптивной технологии возделывания конкретной сельскохозяйственной культуры применительно к конкретному полю агроландшафтной полосы и выдачи оптимального управленческого решения по технологии ее возделывания, особенно в критических ситуациях, требуется обработка большого количества информации, измеряемой астрономическими цифрами. Принятие ответственного решения связано с большими материальными ценностями (судьба и качество урожая). Эта многофакторная нелинейная задача в принципе не может быть решена на основе традиционной методологии принятия управленческого решения. Многолетнее стремление зем-

лепользователей получить максимум продукции от пашни с минимумом текущих затрат привело к деградации земель, ухудшению агроэкологиче-ской обстановки, падению рентабельности и качества продукции. Главная причина этих негативных последствий лежит в том, что технологии возделывания сельскохозяйственных культур являлись далеко не оптимальными для многих компонентов биосферы (почва, биота, атмосфера, ...) Принятие оптимального решения в сложной многокритериальной агроэкологиче-ской системе затрудняется сложностью выбора оценочных параметров и неумением выявить скрытые взаимосвязи между отдельными компонентами этой системы.

Во второй главе показывается необходимость разработки инструментального средства для решения системных задач в области экологии и излагаются математические принципы, лежащие в основе работы решателя спроектированной системы.

Рис. 1. Иерархические уровни систем

Эффективное управление в агроландшафтном земледелии возможно при использовании компьютерных экспертных систем, проектируемых на

основе инструментального средства для решения системных задач, ядром которого является решатель. Он работает с информацией, лишенной семантики, что достигается последовательным абстрагированием в направлении, показанном на рис. 1.

Исследователь отбирает существенные с его точки зрения свойства изучаемого элемента экологической системы и определяет процедуру их измерения. В результате получается система низшего уровня - система объекта

О = {{(а ^ А])\1 с N п), {Ь],В](1)

где = {1, 2, ...,п}; - свойство; Л1 - множество его проявлений; Ь} -база; В1 - множество ее элементов; О - система объекта. Множества проявлений каждого конкретного свойства объекта разбивается на конечное число блоков. Далее каждому свойству объекта ставится в соответствие определяемая процедурой измерения или наблюдения конкретная переменная V,, различные состояния которой, образующие множество состояний У, Аналогично с каждым параметром , отвечающим базе связано параметрическое множество Так совершается переход от системы

объекта О к конкретной представляющей системе /, а от нее к общей представляющей системе /. Они определяются как

/=«(*„?,)||еЛГ.}. (2)

{О^ИубЛи). (3)

Отношение между системой объекта и конкретной представляющей системой задается в виде полного канала наблюдения, состоящего из отдельных каналов наблюдения, по одному для каждого свойства и базы из системы объекта Отношения между конкретной и общей представляющими системами задаются набором отображений конкретизации (абстрагирования) по одному для каждой переменной и параметра из этих систем. Этот набор носит название канала конкретизации/абстрагирования Е:

Е = ({(У„ У„е,)|«еЛа ЩЖ,, (4)

В результате определяется исходная система:

(О,/, Л0,Е). (5)

Исходная система обеспечивает связи с реальным миром через канал наблюдения о и систему объекта О.

В агроландшафтном земледелии при районировании и выяснении возможности возделывания той или иной сельскохозяйственной культуры возникает необходимость выявить параметрически инвариантные характеристики как рабочего участка, так и смежных с ним территорий, а также

факторов, обеспечивающих оптимальные условия для развития конкретной сельскохозяйственной культуры при сохранении экологического равновесия с окружающей средой и предотвращения деградации почвы. На этом этапе исследования большую помощь оказывает построение системы с поведением и далее порождающей системы. Работа проводится на базе построенной обобщенной представляющей системы, входящей в состав исходной системы. Для заданной обобщенной представляющей системы диапазон возможных типов параметрически инвариантных ограничений зависит от свойств параметрического множества. Если параметрическое множество не упорядочено, то состояния переменных могут только ограничивать друг друга. Если же оно упорядочено, то состояния переменных могут ограничиваться не только другими состояниями, но и состояниями выбранного соседства для каждого конкретного значения параметра. Это соседство должно быть параметрически инвариантным, так как является основой для параметрически инвариантного представления ограничения.

На основе построенной исходной системы строится система с поведением, являющаяся системой второго более высокого иерархического уровня:

Рв=(1,М,/„), (6)

где М- маска, а /в — функция поведения системы.

Система с поведением обрабатывает полученный массив опытных (полевых) данных. Обработка информации производится при помощи использования маски М, отражающей скрытые и явные взаимосвязи, имеющиеся в полученных данных, но, как правило, не известные исследователю. Поэтому маска должна быть оптимально выбрана. Это обеспечивается порождающими нечеткостями, вычисляемыми на основе шенноновской энтропии для вероятностной меры нечеткости или и-нечеткостями для возможностной меры нечеткостей:

Я(С|С)=Я(С)-Я(С), (7)

Я(С|£хС) = Я(С)-Я(£ха), (8)

1 £Я(£И-£Я(С>)

Н(С\Ехв)=-

\Е\

(9)

Щ0\0) = и(С)-и(0),_ (Ю)

¿/(С|£х(?)=£/(С)-£/(£х(7), (11)

1

и(в1ЕхО =

IЕ

(12)

где С,С ,С,Е,Е - множества состояний порожденных, порождающих,

полных, входных и выходных выборочных переменных соответственно; отдельные состояния (элементы) этих множеств обозначаются соответствующими малыми буквами.

Шенноновская энтропия Н(Х), определяемая как

H(f(x)\xeX)=-^f(x)log2f(x), (13)

выражается через условные и безусловные вероятностные функции поведения:

/(с).

лю=Е/(с), (14)

c>-s

f(g\g)=j^, (15)

Д1И=Ея* и> (16)

e>g

(17)

где c>g указывает на то, что g является подмножеством С (подсостоя-нием с).

U-нечеткости

и{/)=^(1^-1к)\ов2\с(/.1к+1) |, (18)

вычисляются через возможности ф,, где 1к - одна из этих возможностей, входящая в состав уровневого множества

Lf ={l\(EieNm)(<pl=l) или 1 = 0}, (19)

составленного при помощи функции

c(f,l)={ieNm\<p>l). (20)

Выражения (7) и (10) определяют соответственно порождающую нечеткость и U-нечеткость для нейтральных систем, (8) и (11) - для направленных систем с полной информацией о входных переменных, а (9) и (12) характеризуют направленные системы, у которых либо имеется неполная информация о входных переменных, либо она является не очень существенной.

Оптимальной для заданного уровня сложности и данного массива данных является та маска, у которой порождающая нечеткость оказывается наименьшей. Маска, таким образом, отражает инвариантные характеристики рассматриваемых систем (например, существенные связи между по-

требностями конкретных сельскохозяйственных культур, выращиваемых на определенном рабочем участке с заданными агрофизическими условиями и возможностями реального экологически безопасного их удовлетворения с помощью данной агротехнических технологии возделывания этих культур).

При необходимости система с поведением, как и порождающая система, может быть упрощена в результате либо уменьшения количества состояний, описывающих заданную систему, либо путем исключения некоторых общих переменных, либо путем объединения ее состояний.

После определения параметрически инвариантных характеристик системы с поведением строится структурированная система, в которой решаются две взаимосвязанные задачи: задача реконструкции и задача идентификации.

В задаче реконструкции известная полная система с поведением разбивается па такие отдельные подсистемы, которые подходят для реконструкции данной системы с поведением с приемлемым уровнем точности по заданным критериям. Эта системная задача важна для агроландшафтного земледелия Она связана с организацией территории, которую необходимо оптимально разбить на экологически сбалансированные рабочие участки по возделыванию конкретных сельскохозяйственных культур. Инструментальное средство по рабочим паспортам территории выдает наиболее приемлемые варианты. Человеческий фактор остается для принятия окончательного решения. Чем ближе несмещенная реконструкция к истинной (заданной) системе, тем лучше выдвинутая гипотеза.

Задача идентификации является обратной по отношению к задаче реконструкции. Здесь сначала из отдельных систем с поведением (будущих элементов или подсистем целой системы) строится реконструктивное семейство, содержащее множество обобщенных систем, претендующих на роль полной системы. Чаще всего это задача, связанная с нахождением несмещенной реконструкции, учитывающей только ту информацию, которая содержится в объединяемых подсистемах и не использует никакой дополнительной информации.

Несмещенная реконструкция (если только она существует) относительно просто находится методом соединения, включающего базовую процедуру соединения и далее при необходимости итеративную процедуру соединения. Однако перед использованием этих процедур должна быть выполнена тщательная проверка объединяемых систем на предмет их локальной и глобальной согласованности. И если локальная несогласованность может быть устранена по 'причине недостаточного количества собранного массива данных, то глобальная несогласованность говорит о том, что проект целой (полной) системы составлен неудачно, а, значит, такая система является нежизнеспособной. Поэтому в последнем случае подсис-

темы, описываемые двумя массивами собранных экспериментальных или полевых данных в принципе нельзя объединять. Система, составленная из них, системой не является и очень быстро самопроизвольно распадется. К сожалению, такая ситуация часто встречается при принятии управленческих решений любого уровня и особенно в земледелии при выборе сельскохозяйственной культуры для данного рабочего участка или технологии по ее возделыванию.

В земледелии в условиях, когда нарушено экологическое равновесие, весьма частыми являются критические экстремальные ситуации, когда судьба урожая решается за весьма ограниченные отрезки времени. Выход из критического состояния будет успешным при условии быстрого перехода к другой максимально адаптированной к чрезвычайной ситуации технологии воздействия на агроландшафт. Для этой цели требуется не структурированная система, а метасистема, являющаяся другим способом интеграции отдельных подсистем в полную систему. Если в структурированной системе все ее элементы имеют общее параметрическое множество, но разный набор переменных, то в метасистемах, наоборот, интегрирование идет по параметрическим множествам независимо от того, имеют ли эти системы одно параметрическое множество или нет.

Метасистема (например, интегрированная на системах с поведением /•в), определяется как совокупность параметрического множества IV, множества нейтральных систем с поведением, чьи параметрические множества являются подмножествами множества IV и правила замены г, с помощью которого одна подсистема метасистемы заменяется другой подсистемой:

Метасистемы могут быть использованы для интегрирования структурированных систем, которые в свою очередь используются для интегрирования других систем. Например, МЭРв представляет собой метасистему, элементами которой являются структурированные системы с поведением. Аналогично определяются и многоуровневые метасистемы.

Особенно полезны метасистемы для исследования развивающихся » систем, состоящих из относительно небольшого набора основных строи-

тельных элементов-подсистем.

В третьей главе приводятся полученные соискателем результаты исследования.

Описывается архитектура спроектированного инструментального средства для решения системных задач в области агроландшафтного земледелия, описываются алгоритмы программ, лежащих в основе работы решателя, приводится алгоритм его работы. На Рис. 2 представлена концептуальная схема решателя, лежащего в основе инструментального средства.

При прямом проходе решатель путем последовательного перехода от абстракций более низкого уровня к абстракциям более высокого уровня, используя канал абстрагирования, переводит конкретную задачу из облас-

ти агроландшафтного земледелия в общесистемную задачу и решает ее. При обратном ходе решатель при помощи канала конкретизации наполняет полученное решение конкретным содержанием. Результат своей работы он в удобовоспринимаемом виде предъявляет пользователю.

Рис. 2. Концептуальная схема решателя системных задач.

Для работы с системой необходимо иметь агрофизические паспорта сельскохозяйственных угодий, содержащие информацию о физико-химических свойствах почвы, температурном и световом режимах, продуктивной влажности, среднегодовом, среднеквартальном и среднемесячном количество осадков на весь период вегетации возделываемой культуры. Эта информация должна быть предварительно внесена в базу данных системы. Экологические и биологические требования конкретных сортов предполагаемых для возделывания в данном хозяйстве сельскохозяйственных культур также необходимо занести в базу данных инструментального средства.

Выбор сельскохозяйственной культуры для возделывания на полях, расположенных в пределах конкретной агроландшафтной полосы или аг-роландшафтного контура, осуществляется путем построения реконструктивного семейства полных систем. Каждая их этих систем включает в качестве подсистем фации с их важнейшими агрофизическими характеристиками, подсистему возделываемой культуры с ее специфическими экологическими и биологическими требованиями, подсистему метеоусловий и подсистему технологии возделывания сельскохозяйственной культуры. Из возможных (часто весьма многочисленных) кандидатов полных систем выбирается только одна система такого рода, имеющая минимальную порождающую нечеткость.

Аналогично, но только при использовании метасистем, решается вопрос об организации территории конкретного хозяйства.

Приводится контрольный пример, даются рекомендации землепользователям по работе с разработанным инструментальным средством.

Использование инструментального средства по решению системных задач в атроландшафтном земледелии позволяет существенно уменьшить время выбора оптимального управленческого решения на уровне землепользователя и значительно повысить его качество.

Инструментальное средство работает в среде Borland С++ Builder 5.0 под управлением операционной системы Windows 2000.

В заключении указывается, что диссертация является законченной научно-исследовательской работой и содержит новое решение актуальной проблемы принятия оптимального управленческого решения в экологии на примере агроландшафтного земледелия.

Даны рекомендации по дальнейшему исследованию применения методов системологии в агроландшафтном земледелии с целью восстановления плодородия почвы и ослабления деградации почвы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выявлена главная причина напряженной экологической ситуации в агроэкологической системе, которая связана со сложностью выбора существенных оценочных показателей, с помощью которых принимается управленческое решение в этой сложной многокритериальной системе.

2. Спроектирован и отлажен макет компьютерного инструментального средства для решения системных задач, связанных с эффективным и экологически безопасным возделыванием зерновых культур в Краснодарском крае в условиях динамически изменяющихся природных и антропогенных факторов.

3. Разработанное инструментальное средство позволяет решать следующие задачи:

• выбор наиболее существенных свойств объекта исследования (аг-

роландшафтная полоса, фация и т.д.) из множества, предложенных пользователем;

• выясняет скрытые взаимосвязи между структурными элементами агроландшафтной системы;

• дает оптимальный вариант декомпозиции сложной агроэкосисте-мы на более простые подсистемы.

4. Землепользователю инструментальное средство дает возможность произвести оптимальный выбор сельскохозяйственной культуры и технологию по ее возделыванию на конкретных полях данной агроландшафтной полосы, а также оптимально разби гь территорию на отдельные поля.

5. При незначительном изменении разработанное инструментальное средство легко адаптируется и к другим экологическим системам.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Володин В.М. Методология исследований в экологически обоснованном земледелии // Экологические проблемы сохранения и воспроизводства почвенного плодородия: Сборник научных трудов. Курск, 1989. С. 3-22.

2. Гортлевский A.A., Швецова H.A. Устранение деградации почв и предгорий Западного Кавказа // Горные и склоновые земли России. Пути преодоления деградации и восстановления их плодородия: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Владикавказ, 1998. С. 63-65.

3. Гортлевский A.A. Экологические принципы борьбы с сорно-полевой растительностью при возделывании озимой пшеницы в Краснодарском крае // Экология. Медицина. Образование: Материалы межрегиональной научно-практической конференции. Краснодар. 2000. С. 84-85

4. Извеков A.C., Лисиченко J1.A. Деградационные процессы и поиски повышения плодородия эродированных черноземов Кубани // Бюллетень ВИУА. № 115. М.. 2001. С.27-29.

5. Искандарян P.A. Информационные технологии в исследованиях географической сети длительных опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами // Бюллетень ВИУА. № 115. М.. 2001. С. 132 —

133.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Швецов Г.В., Швецова H.A. Инструментальное средство для решения системных задач // Экология и здоровье человека. Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии: Тезисы докладов VI международной конференции. Краснодар, 2001. С. 231.

2. Швецов Г.В., Швецова H.A. Инструментальное средство для решения системных задач в агроландшафтном земледелии // Образование. Экология. Экономика. Информатика: Тезисы докладов VIII международ-

ной конференции Астрахань, 2003. С. 334.

3. Швецов Г.В., Швецова H.A. Компьютерная экспертная система в агроландшафтном земледелии // Сборник материалов девятой Всероссийской конференции «Наука. Экология. Образование». 2003 г. Краснодар, 2004. С. 152-154.

4 Швецов Г.В., Швецова H.A. Построение полной системы методами системологии // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции молодых учёных и студентов. Краснодар, 2004. С. 77-78.

5. Швецов Г.В., Швецова H.A. Компьютерная экспертная система для почвозащитной технологии возделывания зерновых культур в агроландшафтном земледелии // Тезисы Всероссийской конференции молодых ученых Урала, Сибири и Дальнего Востока. Красноярск, 2003. С. 127.

6. Швецов Г.В., Швецова H.A. Структура исходной системы инструментального средства для решения системных задач в агроландшафтном земледелии // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Труды II Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов. Анапа, 2005. Т. 2. С. 77-78.

7. Швецов Г.В. О целесообразности использования структурированных систем в агроландшафтном земледелии. Известия высших учебных заведений. Северокавказский регион. Естественные науки. 2005. Приложение № 4. С. 53-56.

8. Швецов Г.В. Об использовании системологии в экологии. Известия высших учебных заведений. Северокавказский регион. Естественные науки. 2005. Приложение № 4. С. 57-60.

Швецов Григорий Васильевич

РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ СИСТЕМНЫХ ЗАДАЧ В ЭКОЛОГИИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 19.11.2005. Формат 60x84 '/|6. Бумага 8уе£оСору. Печать трафаретная. Усл.-печл. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ № 5194.

Тираж изготовлен в типографии ООО «Просвещение-Юг» с оригинал-макета заказчика г. Краснодар, ул. Селезнева, 2. Тел./факс: 239-68-31.

№24449

РНБ Русский фонд

2006-4 29415

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Швецов, Григорий Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ АГРОЛАНДШАФТНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ.

1.1. Законы экологии в земледелии. 1.2. Сущность и причины экологических противоречий в агропромышленном производстве.

1.3. Глобальные функции почвы.

1.4. Экологическое состояние земельных ресурсов.

1.5. Основные экологические и агроэкологические требования к системам земледелия.

1.6. Агроландшафты.

1.7. Механизм экологизации земледелия.

1.8. Агроэкологические требования к возделываемым культурам.

• 1.9. О моделировании в земледелии.

Выводы по главе.

• 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ СИСТЕМНЫХ ЗАДАЧ.

2.1. Исходные системы.

2.2. Системы данных.

2.3. Система с поведением.

2.3.1. Методологические отличия.

2.3.2. Меры нечеткости.

2.4. Структурированные системы.

2.4.1. Определение структурированной системы.

2.4.2. Реконструктивное семейство.

2.5. Метасистемы.

Выводы по главе.

3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ РЕШЕНИЯ СИСТЕМНЫХ ЗАДАЧ.

3.1. Назначение инструментального средства.

3.2. Архитектура инструментального средства.

3.3. Определение существенных свойств объекта исследования.

3.5. Оптимальное объединение нескольких экологических иодсистем в полную систему.

3.5. Экологически обоснованная организация территории в агроландшафтном земледелии.

Выводы по главе.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Разработка инструментального средства для решения системных задач в экологии"

Актуальность темы. Осознание угрозы экологической катастрофы заставляет все глубже осмысливать характер взаимодействия человека с природой. Возникающие повсеместно экологические эксцессы наглядно показывают, что антропогенная трансформация природных экосистем не должна нарушать потенциальную способность агроэкосистем к саморегуляции, а сложившиеся природные потоки вещества и энергии в них не должны превосходить экологически допустимые пределы [72], [124], [126].

Усиливающаяся деградация почв сельскохозяйственных угодий Краснодарского края проявляется зонально в виде эрозии, дефляции, оползней, переувлажнения, переуплотнения, дегумификации, слитизации, подкисления, загрязнения. В заповедных территориях эти проявления деградации почв отсутствуют [23], [24]. Перечисленные негативные явления снижают бонитет почв, увеличивают затраты энергии при возделывании сельскохозяйственных культур до 50%, материальных средств на 25-35%, вызывают недобор урожая, ухудшают экологическую обстановку. Общий ущерб от них в предгорьях Западного Кавказа ежегодно превышает стоимость получаемой сельскохозяйственной продукции [23], [24].

Агроландшафтное земледелие - это очень сложная многоуровневая система, состоящая из многочисленных динамически взаимодействующих друг с другом подсистем [36], [38]. Так, агроландшафтные системы земледелия Западного Кавказа, адаптированные к природным, экологическим и экономическим условиям региона, включают 80-90 показателей. Сам Западный Кавказ имеет 5 типов макрорельефа, 7 геоморфологических районов, 3 класса с 8 видами погоды, 5 агроклиматических районов (от холодного до субтропического), 30 типов почв, более 300 рек, 9 водохранилищ, перепад абсолютных высот местности от 0 до 3256 метров над уровнем моря, 7 групп агро-ландшафтов и многоукладные хозяйства с различными формами собственности. Такое многообразие условий определяет множество моделей агроландшафтного земледелия, из которых землепользователю необходимо выбрать 4 лучшие, чтобы заказать их спроектировать, ввести их в действие, а затем освоить. Следствием далеко не оптимального выбора в этой многофакторной и многовариантной ситуации является одна из главных причин деградации почв предгорий Западного Кавказа. Она заключается в неправильной системе ведения хозяйства, заимствованной из равнинных степных районов, неадаптированной к сложным и разнообразным условиям природно-территориальных комплексов предгорий по иным типам почв, климата и микроклимата, рельефу, геологии и гидрологии, составу биоценозов, наличию вертикальной зональности, большой чувствительности ландшафтов к антропогенным воздействиям [23].

Научными учреждениями Западного Кавказа и других регионов России разработано достаточно большое количество технологий и рекомендаций для устранения почворазрушительных процессов, регулирования водного режима, повышения плодородия почв и других показателей эффективности сельскохозяйственного производства [3], [4], [5], [9], [71]. Однако до сих пор нет полного решения одной из сложнейших задач агроландшафтного земледелия, связанной с установлением закономерностей энерго- и массообмена в агро-экосистемах. Решение ее необходимо для создания теоретического фундамента для разработки приемов и способов направленного регулирования этих процессов.

Компьютерное моделирование дает принципиально новый подход к решению почвенных, агрохимических и экологических проблем [1], [7]. Однако при использовании его для решения конкретного вопроса необходимо: а) отразить в модели наиболее существенные свойства системы-оригинала; б) оптимально разбить систему на более простые подсистемы, подлежащие дальнейшему более глубокому изучению; в) получить основные характеристики целой (полной) системы по закономерностям, выявленным для ее подсистем. К сожалению, перечисленные вопросы часто решаются на уровне «здравого смысла».

Поэтому возникла необходимость разработки инструментального средства для решения системных задач в экологии (в частности агроландшафтно-го земледелия), пригодного как для выбора оптимальной модели агроланд-шафтного земледелия конкретным землепользователем, так и для получения ответов на выше перечисленные проблемы в компьютерном моделировании.

Объектом исследования является агроландшафтное земледелие.

Предметом исследования является математическое обеспечение принятия оптимального управленческого решения в агроландшафтном земледелии.

Целью диссертационной работы является разработка компьютерного инструментального средства для решения системных задач, возникающих в агроландшафтном земледелии.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Проанализировать причины проявления негативных явлений в экологии, связанных с деградацией почвы.

2. Разработать методику выявления взаимосвязей между компонентами сложной экологической системы на основе принципов системологии.

3. Написать комплекс системных программ, позволяющих путем последовательного абстрагирования полевых данных выявить параметрически инвариантные свойства отдельных элементов, входящих в состав сложной экологической системы, с помощью которых находится оптимальный вариант взаимодействия их в составе полной экологической системы.

4. На основе произведенных исследований реализовать на компьютере инструментальное средство, позволяющее решать системные задачи в экологии. Примером таких задач может служить декомпозиция выделенной хозяйству территории на отдельные полевые участки по возделыванию сельскохозяйственных культур так, чтобы не нарушить экологического равновесия с окружающей средой, обеспечить воспроизводство плодородия почвы и оптимальную урожайность при данных агроклиматических условиях.

Положения, выносимые на защиту.

1. Главная причина напряженной экологической ситуации в агроэко-логической системе связана со сложностью выбора существенных оценочных показателей и установления скрытых взаимосвязей в сложной многокритериальной агроэкологической системе при принятии управленческих решений.

2. Компьютерный метод выявления параметрически инвариантных характеристик подсистем, входящих в полную систему, отображающую исследуемый объект агроландшафтного земледелия.

3. Комплекс системных программ, позволяющих выбрать оптимальный вариант для объединения отдельных элементов агроэкосистемы.

4. Спроектированное и реализованное на компьютере инструментальное средство для решения системных задач в экологии на примере агроландшафтного земледелия.

Научная значимость результатов исследования заключается в совершенствовании методов обработки экспериментального массива данных, полученных в агроландшафтном земледелии, с целью выявления параметрически инвариантных связей между ними на основе методов системологии.

Спроектированный и отлаженный макет инструментального средства для решения системных задач позволяет:

1) выявлять существенные параметры, определяющие состояние конкретного элемента агроэкологической системы;

2) выявлять скрытые взаимосвязи между ними, что необходимо для запуска процессов восстановления плодородия почвы;

3) дает оптимальный вариант декомпозиции сложной агроэкосистемы на более простые подсистемы, что необходимо землепользователю при разделении конкретной агроландшафтной полосы на отдельные поля;

4) позволяет землепользователю произвести оптимальный выбор сельскохозяйственной культуры и технологию по ее возделыванию на конкретных полях данной агроландшафтной полосы.