Содержание к диссертации
Введение
1. ПРОБЛЕМЫ АГРОЛАНДШАФТНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ 11
1.1. Законы экологии в земледелии 11
1.2. Сущность и причины экологических противоречий в агропромышленном производстве 15
1.3. Глобальные функции почвы 17
1.4. Экологическое состояние земельных ресурсов 18
1.5. Основные экологические и агроэкологические требования к системам земледелия 27
1.6. Агроландшафты 30
1.7. Механизм экологизации земледелия 33
1.8. Агроэкологические требования к возделываемым культурам 37
1.9. О моделировании в земледелии 41
Выводы по главе 43
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ СИСТЕМНЫХ ЗАДАЧ 45
2.1. Исходные системы 45
2.2. Системы данных 50
2.3. Система с поведением 51
2.3.1. Методологические отличия 55
2.3.2. Меры нечеткости 57
2.4. Структурированные системы 60
2.4.1. Определение структурированной системы 60
2.4.2. Реконструктивное семейство 61
2.5. Метасистемы 64
Выводы по главе 65
3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ РЕШЕНИЯ СИСТЕМНЫХ ЗАДАЧ 67
3.1. Назначение инструментального средства 67
3.2. Архитектура инструментального средства 68
3.3. Определение существенных свойств объекта исследования 71
3.5. Оптимальное объединение нескольких экологических подсистем в полную систему 74
3.5. Экологически обоснованная организация территории в агроландшафтном земледелии 75
Выводы по главе 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 82
Приложение 1. Текст программы 96
Приложение 2. Распечатки экрана 120
Приложение 3. Краткий словарь использованных терминов 124
Введение к работе
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 агроланд-
шафтного 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
Ф 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
w 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]. Од-
нако 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 характери
стики целой (полной) системы по закономерностям, выявленным для ее под-
систем. 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:
Проанализировать причины проявления негативных явлений в экологии, связанных с деградацией почвы.
Разработать методику выявления взаимосвязей между компонентами сложной экологической системы на основе принципов системологии.
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.
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 оп-
тимальную урожайность при данных агроклиматических условиях. Положения, выносимые на защиту.
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.
Компьютерный метод выявления параметрически инвариантных характеристик подсистем, входящих в полную систему, отображающую исследуемый объект агроландшафтного земледелия.
Комплекс системных программ, позволяющих выбрать оптимальный вариант для объединения отдельных элементов агроэкосистемы.
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:
выявлять существенные параметры, определяющие состояние конкретного элемента агроэкологической системы;
выявлять скрытые взаимосвязи между ними, что необходимо для запуска процессов восстановления плодородия почвы;
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 исполь
зовать в дальнейших научных исследованиях для анализа информации, зало
женной в Геосети РФ, а также при решении задач математического модели
рования с целью определения существенных свойств моделируемых эколо
гических систем.
щ 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 куль
тур 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 инстру
ментального 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. Математиче-
ские 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 агроландшафтного земледелия.
Материалы диссертационной работы были опубликованы в 8 печатных работах (тезисы и материалы международных и российских конференций, статьи в реферируемом журнале) [107-114].
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, приложения. Содержание работы изложено на 133 страницах, набранных в редакторе Word-2000, содержит 12 рисунков и 9 таблиц, оглавление, список цитируемой литературы из 126 наименований и список публикаций соискателя из 8 наименований. Приложение включает листинг программы и словарь использованных в работе терминов.
В первой главе дан анализ наблюдаемых негативных проявлений поч-воразрушительных 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. Делает-
ся вывод, что главной причиной негативных последствий деградации почв является неоптимальная для многих компонентов биосферы технология возделывания сельскохозяйственных культур. Принятие оптимального решения в сложной многокритериальной агроэкологическои системе затрудняется сложностью выбора оценочных параметров и выявления скрытых взаимосвязей между отдельными компонентами этой системы. Показывается необходимость разработки инструментального средства для решения системных задач в области экологии.
Во второй главе излагаются основные сведения из теории систем и системологии, математические принципы, лежащие в основе работы решателя спроектированной системы.
В третьей главе описывается архитектура спроектированного инструментального средства, описываются алгоритмы программ, лежащих в основе работы решателя, приводится алгоритм его работы. Описывается методика работы с инструментальным средством, которое является открытой системой. Поэтому имеется возможность расширения его операционных возможностей, включая конкретные экспертные системы, как это сделано для экспертной системы «РЭТ ГОРОХ-45». 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 C++ Builder 5.0 и Borland Delphi 6.0 под управлением операционной системы Windows 2000.
Законы экологии в земледелии
Поскольку системы земледелия рассматриваются как инструментарий для конструирования агроландшафтов, оптимизированных в соответствии с требованиями сохранения природы, то совокупность экологических законов и правил их построения существенно возрастает.
Закон единства организма и среды В. И. Вернадского, правило экологической индивидуальности Л.Г. Раменского, экологическая аксиома Ч. Дарвина (аксиома адаптированности), закон относительной независимости и ряд других правил определяют исходную посылку земледелия - адаптированность сельскохозяйственных растений и технологий их возделывания к конкретным природным условиям.
Правило меры преобразования природных систем запрещает при их эксплуатации переходить пределы, за которыми теряется их способность к самоорганизации и саморегуляции. Несоблюдение этого правила ведет к опустыниванию земель. В наиболее напряженных районах преобразованием может быть охвачено не более 1 % площади экосистем, находящихся в при-родно-естественном состоянии. Площадь коренным образом измененных экосистем в наиболее благоприятном состоянии может достигать 40%, после чего ущерб возрастает [119].
Закон единства многообразия утверждает, что система не может сформироваться из абсолютно одинаковых элементов или из принципов монополизма. Монокультура не обладает свойствами самоподдержания.
Из правила цепных реакций жесткого управления природой следует, что создание объектов, меняющих природные процессы, чревато природными цепными реакциями, значительная часть которых оказывается экологически, социально и экономически неприемлемой в длительном интервале времени. Антропогенная катастрофа Аральского моря является ярким примером действия этого правила.
Закон убывающей отдачи утверждает, что повышение удельной энергии, вкладываемой в агроэкосистему, не дает адекватного пропорционального увеличения ее продуктивности, приводя к общеизвестному факту падения энергетической эффективности сельскохозяйственного производства.
Закон ограничивающих факторов утверждает, что факторы среды, имеющие в конкретных условиях пессимальное значение, особенно затрудняют (ограничивают) возможность существования вида в данных условиях, несмотря на сочетание других отдельных условий.
Из закона толерантности следует, что лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологическо го воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.
Закон неоднозначного действия фактора на различные функции организма приводит к тому, что оптимум для одних процессов не является оптимумом для других и наоборот.
Закон компенсации факторов утверждает, что отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсирован другим близким фактором.
Все перечисленные экологические законы показывают всеобщую связь процессов и явлений в природе. Изменение одного из показателей системы вызывает функционально-структурные количественные и качественные изменения в ней. Любая система тесно связана с окружающей средой и может развиваться только за счет использования ее материально-энергетических и информационных возможностей. Взаимодействие человека с окружающей средой происходит в условиях неполноты информации. Глобальная экосистема представляет собой единое целое, а потому не может являться объектом всеобщего улучшения. Все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть в нее же и возвращено.
Человечество на протяжении тысячелетий направляло свои усилия на преобразование природы. Однако оно не создало механизма, позволившего ему гармонично вписаться в природу, а наоборот, делало и продолжает делать все, чтобы подняться над природой, покорить ее. Эпоха натиска на природу закончилась. Сегодня человечество создает давление на среду. Это давление не столько биологическое, сколько техногенное. Биосфера непременно должна превратиться в ноосферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы «человек-природа». Альтернативой этому развитию биосферы может быть только экологическая катастрофа. Человек обязан сконструировать безопасные агроландшафты в оптимальном соотношении с сопряженными природными ландшафтами.
Исходные системы
Каждому свойству объекта ставится в соответствие переменная, определяемая конкретной процедурой измерения или наблюдения. Переменная имеет различные состояния (значения), множество которых называется множеством состояний. Аналогично с каждым параметром связано параметрическое множество, элементы которого называются значениями параметра. Разные наблюдения одной и той же переменной различаются только по значениям конкретных параметров.
В системном анализе кроме конкретных переменных и параметров, представляющих соответствующие признаки и базы, вводятся обобщенные переменные и параметры. Их множества состояний и параметрические множества вместе с отношениями, определенными на этих множествах, представляются стандартным образом.
Изоморфное отображение множества состояний конкретной переменной (конкретного параметра) на соответствующее множество состояний абстрактной переменной (параметра) называется абстрагированием конкретной переменной (параметра), а обратная процедура - конкретизацией обобщенной переменной (обобщенного параметра). Под каналом наблюдения понимается любая операция, вводящая конкретную переменную как образ свойства. Канал наблюдения, при помощи которого свойство ai представляется конкретной переменной v,c множеством состояний Vt определяется функцией Аналогично функция задает представление базы Ъ\ конкретным параметром Wj Она должна быть гомоморфной относительно соответствующих свойств базы и множества W математических свойств, определенных на параметре Wj. При исследовании используются только обобщенные переменные и параметры. Заданная обобщенная переменная Vj конкретизируется конкретной переменной V,- тогда и только тогда, когда функциясуществует и изоморфна относительно множества Ц математических свойств определенных на v,-. Аналогично, обобщенный параметр wj конкретизируется параметром Wj тогда и только тогда, когда функциясуществует и изоморфна относительно Wj. Каждый конкретный изоморфизм е,(или Sj) задает конкретизацию абстрактной переменной v,- с помощью Каналы наблюдения, определенные через функции о,- и щ , индуцируют разбиение множеств А( и Bj на блоки А{/о{ и Bj/щ. Элементы каждого такого блока эквивалентны в том смысле, что они не различаются с точки зрения введенной процедуры наблюдения.
Функция о-, определяет четкий канал наблюдения. Благодаря неизбежным погрешностям измерения (особенно на границах блоков) есть смысл ввести нечеткий канал наблюдения oh задающий степень достоверности того, что значение переменной принадлежит заданному блоку.
Для описания особенностей системных задач, по которым различаются разные типы задач внутри одной эпистемологической категории задач удобно ввести термин «методологические отличия». На нижнем эпистемологическом уровне (исходные системы) методологические отличия определяются только для переменных и параметров (как конкретных, так и общих),
Архитектура инструментального средства
Степень достоверности прогнозов в агроландшафтном земледелии определяется оптимальностью выбора существенных параметров, характеризующих объект исследования. Любой объект исследования агроландшафт-ного земледелия характеризуют сотни параметров. Методами системологии есть возможность осуществить этот выбор с помощью порождающих систем и систем с поведением, построенных на исходных системах как на фундаменте. Для этой цели сначала строится исходная система. Она представляет собой совокупность системных таблиц, хранящихся в реляционной базе данных, работа с которой ведется под управлением СУБД Paradox 7.0. Они включают в себя словарь базы данных, необходимый при наполнении конкретным содержанием полученное решение с помощью канала абстрагирования/конкретизации, математические свойства множеств состояний переменных и параметров, характер самих данных, особенности каналов наблюдения, этапы абстрагирования данных, области эквивалентности абстрактных данных. Исследователь выбирает объект исследования из перечисленных в вызываемом редактируемом списке, но может меню, но может при желании ввести и ввести и собственное название объекта. Далее определяется количество выбираемых им свойств, описывающих объект исследования, и баз, через которые идентифицируется проявление каждого свойства. Далее инструментальное средство запрашивает у пользователя информацию по каждому конкретному свойству и по базам (рис. П2.2, П2.3). Устанавливается и тип системы: нейтральная или направленная, а если направленная, то полная ли имеется информация о входных переменных, все ли данные являются существенными. В итоге строится исходная система S = (О, І, І, 0,) [рис. П2.4]. Крупноблочный алгоритм ее построения приведен на рис.3.3.
После наполнения исходной системы данными, которые либо вводятся непосредственно пользователем в режиме редактирования базы данных инструментального средства, либо импортируются в нее из ранее созданных баз данных, запускается система с поведением. В диалоговом режиме определяется маска М, ее глубина AM, используемая мера нечеткостей (вероятностная или возможностная), желаемое направление перемещения маски. Строится функция поведения, связанная с частотой реализованных состояний для вероятностной меры нечеткостей.
Если пользователь работает с возможностной мерой нечеткостей, то используются как реализованные состояния, так и такие, которые не были реализованы по причине недостаточного количества собранных данных, но которые в принципе могли бы быть реализованы. Им по умолчанию ставится возможность в три раза меньшая минимальной возможности, встречающейся в исследуемом наборе данных. На основе системы с поведением строится по рождающая система. Маска делится на три подмаски (входная, порожденная и порождающая подмаски), каждая из которых в свою очередь является маской. Далее вычисляется порождающая нечеткость в одном из трех вариантов (нейтральная система, направленная система для полных или неполных данных) для каждого из двух возможных перемещений маски относительно изменения параметра.
Система генерирует всевозможные осмысленные маски, отвечающие заданной предельно допустимой маске М(п,АМ). Выбирается та из масок, которая содержит наибольшую информацию о системе, т.е. обладает наименьшей порождающей нечеткостью. Так определяется существенный набор входных свойств, соответствующих заданным выходным характеристикам системы(см. рис. П2.5). При желании может быть получена пользователем более подробная информация о проведенных вычислениях. Связи между параметрами системы отражаются в форме выбранной маски и в выражении для ее функции поведения.
