Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время становится очевидным, что бурное развитие НТП, подарившее человеку невиданные блага, породило и неожиданные опасности. Несовпадение скоростей природного эволюционного процесса и социально-экономического развития человечества ведет при неуправляемой форме их взаимодействий к деградации биосферы, разрушению природных систем. При этом отсутствие детальной картины взаимодействия многочисленных биотических и абиотических компонентов природного комплекса и умедіия точно оценить то новое состояние, в котором он окажется после антропогенного вмешательства, приводит в конечном счете к эффекту, часто существенно отличающемуся от ожидаемого.
Для выхода из сложившейся ситуации необходимо решение целого ряда проблем, из которых наиболее актуальными являются следующие:
познание сложных эволюционных цроцессов до уровня, адекватного степени вмешательства в их развитие;
разработка стратегии рационального использования природных ресурсов;
выработка методов прогнозирования результатов антропогенных воздействий на экосистемы.
При решении первой проблемы, согласно И. Пригожину и И. Стен-герс, одной из важнейших задач является изучение обратной связи, возникающей между макроскопическими структурами и микроскопическими явлениями. При этом макроскопические структуры, возникающие из микроскопических событий, влияют в свою очередь на микроскопические процессы (Порядок из хаоса: Новый диалог чело-зека с природой, 1986). Эти явления в экологической эволюции, рассматриваемые в терминах конкуренции между видами и популяциями в среде с ограниченными пищевыми ресурсами, описываются логистическими уравнениями. Нес:.:-- ря на кажущуюся простоту подобные уравнения и особенно уравнения вида «хищник-жертва» довольно точно отражают ряд особенностей эволюции сложных систем. Например, они выясняют природу трудностей, возникающих при попытках управления развитием систем, состоящих из большого числа взаимодействующих элементов. В таких системах каждое отдельное действие принимает коллективный характер, который часто приводит к неожиданным глобальным изменениям в системе.
Вторая и третья проблемы сводятся к общей шэоблеме управ-_чкл экосистемами. Последняя привлекает внимание многих уче-
ных (А. И. Абакумов, А.З. Бегун, В. Г. Берман, Б. Г. Заславский, В. Б. Колмановский, Г. Е. Колосов, Р. А. Полуэктов, А. К. Спивак, М. М. Шаров и" др.), тем не менее вопрос целесообразности выбора критерия качества при синтезе законов управления природными системами остается открытым. Обычно, как и в технических системах, критерием качества выбирается минимальное время переходных процессов, минимальный расход энергии, максимальная экономическая прибыль и т. п.
Настоящая работа являет собой попытку автора предложить для решения этой задачи использование метода инвариантных многообразий, при котором возможен выбор критерия качества, обеспечивающего учет естественного поведения природных систем, т. е. возможность реализации объективных законов управления экосистемами.
Решение всех перечисленных проблем и задач практически невозможно без исследования динамики экосистем средствами моделирования. Математические модели сложных систем, каковыми являются экосистемы, позволяют качественно оценить поведение систем. Количественную оценку процессов, происходящих в сложных системах могут дать имитационные (компьютерные) эксперименты с математическими моделями.
Таким образом, моделирование динамики управляемых экологических систем само по себе также является актуальной проблемой, решение которой дает возможность вывести управление экосистемами на качественно новый уровень.
Объект исследования: сложные кооперативные процессы и дина мика управляемых экологических систем.
Предмет исследования: модели экосистем и методы управления их динамикой.
Цель исследования: развитие методов решения задач управления динамикой экосистем и их использование для исследования сложных кооперативных процессов.
Задачи работы:
классификация и анализ существующих динамических моделей экосистем;
исследование методов синтеза объективных законов управления динамикой экосистем;
разработка имитационных моделей управляемых экосистем;
экспериментальное исследование динамики управляемых экологических систем на основе метода имитационного моделирования;
практическая апробация разработанных моделей управляемых экосистем при изучении сложных процессов.
Методы исследования: медоды теории нелинейных дифференциальных уравнений, методы синергетической теории управления, теории имитационного моделирования, инженерной психологии, педагогической психологии.
Научпая новизна результатов исследования состоит в:
разработке обобщенной классификации динамических моделей экосистем;
обосновании применения метода инвариантных многообразий для синергетического управления экосистемами;
разработке методики синтеза объективных законов управления экосистемами (типа «хищник-жертва») на основе естественных инвариантных многообразий;
создании и апробации имитационных программ, предназначенных для изучения сложных экологических процессов.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в создании обобщенной классификации динамических моделей экосистем, позволяющей систематизировать накопленные знання в области моделирования экологических систем, в разработке методики синтеза объективных законов управления экосистемами и имитационных динамических моделей экосистем, позволяющих проводить вычислительные эксперименты по оптимальному управлению экосистемами на основе метода естественных инвариантных многообразий.
Достоверность и обосповапность результатов обеспечивается применением методов исследования, адекватных поставленным задачам, соответствием результатов имитационного моделирования общепринятым моделям экологических систем, практикой внедрения в учебном процессе вуза.
Основные положения и результаты, выносимые па защиту:
обобщенная классификация динамических моделей экологических систем;
методика выбора естественных инвариантных многообразий для синергетического управления сиг- смагли;
методика синтеза объективного закона управления экосистема-:..и типа «хищник-жертва»;
программы и результаты имитационного моделирования управляемых экосистем;
— методика применения имитационных моделей управляемых
чосистем в учебном процессе вуза.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
областной научно-технической конференции, посвященная дню радио (г. Ростов-на-Дону, 1993 г.);
Симпозиуме «Психологические науки в системе инженерного образования» в рамках Второй международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук» (г. Таганрог, 1994 г.);
Всесоюзной конференции «Распространение экологических и эколого-правовых знаний в современных условиях» (г. Пенза, 1994 г.);
Всероссийской научной конференции РАН и ГК РФВШ с международным участием «Синергетика и проблемы управления» (г. Таганрог, 1995 г.);
Международном научном конгрессе студентов, аспирантов, молодых ученых «Молодежь и наука — третье тысячелетие» в рамках международного научного симпозиума «Природа и человек: взаимодействие и безопасность жизнедеятельности» (г. Таганрог, 1996 г.);
пяти научно-технических и научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава и сотрудников ТРТУ (г. Таганрог, 1993—1997 гг.).
Реализация результатов работы: работа выполнена на кафедре психологии и безопасности жизнедеятельности Таганрогского радиотехнического университета в процессе участия автора в программах Государственного комитета Российской .федерации по высшему образованию: «Информатизация образования», «Высшая школа России». В рамках указанных программ проведены междисциплинарные исследования по направлению «Новые информационные технологии в образовании». Разработаны качественно новые имитационные программы, внедренные в учебный процесс Таганрогского государственного радиотехнического университета и других вузов для изучения курсов «Экология» и «Безопасность жизнедеятельности», входящих в содержание основных образовательных программ.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованной литературы и пяти приложений. Общий объем диссертации—195 страниц машинописного формата, основного текста —155 страниц, включая 44 страницы рисунков и 12 страниц—список литературы из 126 наименований.