автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Моделирование состояния территориальных лесных экосистем и разработка алгоритма устойчивого лесопользования

На правах рукописи

Медведева Ирина Петровна

Моделирование состояния территориальных лесных экосистем и разработка алгоритма устойчивого лесопользования

05.13.01 - управление в технических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Братск - 2000

Работа выполнена в Братском государственном техническо университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Алпатов Юрий Никифорович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Елисеев Сергей Викторович;

- доктор технических наук, профессор Крюков Андрей Васильевич

Ведущая организация:

Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики 665821 г.Ангарск, Иркутской области, а/я 423.

Защита состоится февраля 2000 года в 10 часов на заседали:

диссертационного совета К 064.93.01 при Братском Государственно! техническом университете по адресу: г.Братск, Иркутской облаете ул.Макаренко, 40, БрГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Братског Государственного технического университета.

Автореферат разослан января 2000 г.

Ученый секретарь к.ф.-м.н., профессор

С.В.Белокобыльский

Общая характеристика диссертационном работы

Актуальность исследований. В последние десятилетия резко возросло воздействие человека на окружающую среду. Стало очевидным, что бесконтрольная эксплуатация природы может привести к весьма серьезным негативным последствиям.

Известно, что состояние экосистем изменяется под влиянием естественных и антропогенных воздействий, причем изменения под влиянием антропогенных факторов происходят значительно быстрее. Некоторые антропогенные воздействия приводят к резко отрицательным последствиям, с которыми экосистемы справиться не в состоянии. В первую очередь это относится к загрязнению биосферы химическими веществами, не свойственными природе, нарушению природных геохимических циклов.

Это относится и к интенсивному, нерациональному использованию природных ресурсов, при котором может подрываться сама возможность природы к воспроизводству возобновимых ресурсов.

В сложившейся ситуации представляется чрезвычайно важным изучение состояния природной среды, ее непрерывных изменений, определение тенденций этих изменений.

Необходимо рассмотрение как естественных изменений состояния окружающей природной среды, так и изменений, которые вызываются антропогенными воздействиями, накладываются на естественные изменения, а иногда и усиливают их. Кроме того, необходимо изучение экологического резерва биосферы, значение которого, наряду с оценкой состояния природной среды, позволяет правильно использовать существующие природные возможности и ресурсы и на научной основе построить управление природопользованием и качеством среды. При таком изучении особое внимание необходимо обратить на критические факторы, с которыми связана неустойчивость природных процессов в экосистемах.

В связи с этим изучение и выделение антропогенных изменений и колебаний состояния окружающей среды на фоне естественных

представляет собой сложную и актуальную задачу.

Так как загрязнение природной среды и другие антропогенные воздействия относительно "замкнуты" в пределах территориально-экономических районов, то важное значение приобретает анализ экосистем в региональном масштабе.

Необходимость проведения настоящих исследований вызвана критическим состоянием лесонасаждений в районе г. Братска в результате длительного воздействия промышленных выбросов.

Наличие крупных промышленных предприятий обусловливает поступление в природную среду через атмосферу значительного количества техногенного вещества в виде пыли, обогащенной рядом химических элементов, оседающей, в основном, в верхнем дерновом горизонте почв. Общая деградация растительности с почти полной сменой ее состава и разрушением структуры, появление низкорослых карликовых форм хвойных и лиственных пород деревьев, хлороз и некроз листьев, потеря возможности самовозобновления коренной растительности - это основной перечень .наблюдающихся негативных последствий. Все они составляют общую картину массового поражения лесов в районе г. Братска.

С 1994 года в Братске ведутся исследования в рамках "Федеральной целевой прграммы неотложных мер по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-эпидемиологической обстановки и здоровья населения г. Братска" (Постановление правительства РФ № 376 от 23 апреля 1994 г.).

В диссертации проводится исследование по одному из основных направлений целевой программы: оценка функционирования лесной экосистемы на региональном уровне и разработка мер, направленных на снижение деградации лесонасаждений.

Цель диссертационной работы. На основе изучения особенностей деградации лесонасаждений в условиях длительного воздействия промышленных эмиссий разработать системные принципы моделирования

состояния лесов в зонах антропогенного воздействия.

- Разработать функциональную схему биогенеза лесных массивов с учетом влияния воздушной, водной и почвенной сред.

- Вывод уравнения закона управления лесной экосистемой.

- На основании модели процессов в лесных экосистемах разработать алгоритм управляющих воздействий, обеспечивающий контроль и регулирование состояния лесных массивов.

- Разработать рекомендации устойчивого лесопользования на основе закона управления.

Методы исследования. При разработке математической модели процессов лесных экосистем использовались методы теории систем управления, методы теории графов, матричного исчисления, методы регрессионного анализа. Результаты работы получены с помощью ППП Microsoft Excel 7.0 для Windows 98. Научная новизна работы

1 .Лесной биогенез предлагается рассматривать как многосвязный объект управления, охватывающий несколько физических сред взаимодействия.

В качестве компонентов модели предлагаются: блок роста и развития древостоев; блок среды обитания, описывающий процессы энерго- и массообмена в приземном слое воздуха и почвенной толще; блок антропогенных воздействий, изменяющих воднофизические характеристики почвы, характеристики растительного покрова.

2.Получен закон управления процессами территориальных лесных экосистем.

3.Разработаны рекомендации комплекса мероприятий, способствующих реализации устойчивого лесопользования.

4.Решены частные вопросы, используемые в процессе моделирования многосвязной системы управления состоянием лесных массивов в условиях антропогенного воздействия:

- выделены основные" параметры процессов местного биогеоценоза, построена функциональная схема объекта исследования;

- обосновывается необходимая и достаточная размерность пространства управляющих факторов;

- определена возможность и методика понижения порядка матричного уравнения;

- получено регрессионное уравнение закона управления, определена значимость коэффициентов уравнения регрессии.

Положения, выносимые на защиту;

- постановка задачи системного моделирования процессов территориальных лесных экосистем;

- обоснование возможности применения аппарата структурных графов для моделирования объекта исследования;

- топологическая модель состояния лесных массивов в условиях длительного антропогенного воздействия;

- вывод уравнения закона управления состоянием лесных экосистем в зонах антропогенной нагрузки;

- алгоритм управляющих воздействий на лесные экосистемы

Практическая ценность работы. Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетной тематики «Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами» (код ГАРНТИ 271919), выполняемой в Братском государственном техническом университете по направлению «Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления».

Внедрение результатов исследования в практику осуществлялось на кафедре «Лесоинженерное дело» БрГТУ в рамках госбюджетной темы «Разработка основ рационального лесопользования на базе мониторинга лесных экосистем, подверженных антропогенному воздействию» (№ г.р. 01980005944), а также по теме «Разработка биотехнологических процессов улучшения экологического состояния лесов и водоемов в районе г. Братска с

целью получения изделий из древесины» в рамках Российской инновационной научно-технической программы «Биологические системы, биотехнологические процессы и переработка растительного сырья».

Апробация работы. Результаты работы были представлены в составе экспозиции БрИИ «Прогнозирование прироста леса в результате промышленного воздействия на биосферу» - Англия, апрель 1994 г.; в составе экспозиции Иркутской области «Организация экологического мониторинга в зонах промышленных выбросов (система управления экологическим состоянием воздушного бассейна промышленных городов)» -г.Сеул (Корея), декабрь 1994 г.; экспонировались на выставке-ярмарке-семинаре в г.Иркутске, июнь 1995 г.; на выставке-ярмарке «Сиблесопользование-96», октябрь 1996 г.; на Братской универсальной ярмарке, декабрь 1997 г.; на выставке-ярмарке с международным участием «Сиблесопользование-99», октябрь 1999г.

Основные результаты работы докладывались:

- на XX научно-технической конференции Братского государственного индустриального института (Братск, апрель 1999 г.).

- на IV Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием «Взаимоотношение общества и природы: история, современность и проблемы безопасности"» (Иркутск, 19-22 апреля 1999 г.).

- на международной научно-практической конференции «Экология. Образование. Здоровье» (Байкальск, 12-14 июля 1999 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 6 статей, 2 тезиса докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая 24 рисунка и 9 таблиц. Список литературы содержит 73 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и основные задачи исследований.

В первой главе проведен анализ состояния лесных массивов региона Братска, как объекта исследований, основанный на результатах мониторинга лесонасаждений в зоне антропогенного воздействия.

Делается вывод о необходимости радикальных технологических и технических мер, направленных на снижение деградации лесонасаждений, основанных на современных методах изучения сложных объектов.

Существенную роль в исследовании экологических проблем играет системный подход, нацеленный на целостный охват изучаемых явлений и в то же время на углубленный анализ их структуры, на выявление максимального числа факторов взаимодействия и взаимосвязей, а также на обобщенное их представление.

В главе рассматривается научная концепция оптимального управления лесопользованием, базирующаяся на разработке математической модели рассматриваемого объекта, дается общая формулировка задачи управления состоянием лесных массивов.

Большое количество составляющих элементов различной природы, сложная структурная и динамическая организация лесных экосистем диктуют необходимость использования строгой формализованной методики моделирования, ориентированной на машинную реализацию всего процесса моделирования, включая этапы построения, преобразования и исследования модели.

Для моделирования состояния территориальных лесных экосистем обосновывается возможность применения метода формализованного представления многосвязных объектов исследования на основе представления их в виде С-графа.

Во второй главе изложены основные этапы разработки математической модели территориальных лесных экосистем.

Предложенная схема влияния комплекса факторов на лесной биогеоценоз (рис.1), позволяет выделить основные параметры процесса функционирования лесного массива в условиях антропогенного воздействия промышленных предприятий, установить взаимодействия между ними (табл.1).

Ветер

Влага

Свет

Тепло

Напряженность

зл пэпя

микроклимат

Надземная масть ярееостоев

Подземная часть древостоев

Лес«эя биогеоценоз

Состав ПОЛИ©. соз- Лсд- Харак-

та даст рост тер

разме-

щений

дере&ь*

ев

Антропогенные факторы

ЗаГрАЭ» Загс**- :Н среди Рекреацион-

«енке некие ная

воз- почвы воды нагрузка

духа

Рис.I. Схема взаимодействия биогенных фк-гороэ состояния г>ес*ых изсскбоэ

Состояние лесных массивов в условиях длительного антропогенного воздействия характеризуется множеством параметров, среди которых можно выделить следующие:

1. Метеорологические: А - влажность воздуха, Р - атмосферное давление воздуха, Т - температура воздуха.

2. Геофизические: у - уровень радиоактивности фона, р - проводимость воздуха, Е - напряженность электро-статического поля.

3. Антропогенные: Г", - Г5 - компоненты пылегазовых выбросов (фтористый водород, сероводород,, хлор, окись углерода, твердые фториды),

Смзд,0,1ощ,0воды- загрязненность воздуха, почвы, воды; рН среды; Н -рекреационная нагрузка.

4. Основные показатели леса: С - состав леса, Б - полнота леса, Я -возраст леса, Ь - подрост, Ф - характер размещения деревьев.

За критерий оценки состояния лесных насаждений принимается интегральный показатель состояния леса С), отражающий структуру древостоя, степень его ослабления и усыхания.

Таблица 1

Матрица взаимодействия параметров исследуемого объекта

А Р т у г р Е Свозд Спачсы (»ВОД РНср н с Б я н ф

А - - - - + - - + + -

Р - - - + - - - - - - - - - - - -

Т + + + -

У - - - - + - - - - - - - - - - - -

г, - - - - - - - - - - - + - - - - -

р + - - - - - - - - - - -

Е + - - - - - - ■ - -

+ - - - - - + + + -

Споч + + - - + + + - -

- - - - + + + + -

РНсп - - -• - - - - - • - - - - - + + -

н - - - - - - - - - - - - + - - + +

р + + + + - - - - - -

с - - - - - - - - - - - - - - - - -

Б - - - - - - - - - - - - - - - -

Я - - - - - - - - - - - - - - - - -

н - - - - - - - - - - - - - - + +

ф - - - - - - - - - - - - - + - + -

На основании таблицы 1 построена функциональная схема (рис.2) влияния биогенных факторов на качественное состояние лесных массивов.

Построенная функциональная схема объекта исследования отражает причинно-следственные отношения на множестве параметров системы и представляет собой сигнальный граф моделируемого объекта. Данная формализованная функциональная модель лесной экосистемы является

теоретической основой для получения математической модели системы.

Рассматривая общие топологические свойства графов и связь этих свойств со структурой исследуемого объекта, описывается методика получения топологической модели лесного массива.

По сигнальному графу связности объекта (рис.2) строится структурная схема (рис.3).

Используя правила изоморфизма элементов структурной схемы элементам С - графа, по структурной схеме строится С-граф объекта, узлами которого являются передаточные функции объекта управления (¡=1,...,43), ветвями - параметры x¡ (¡=1,...,100) (рис. 4).

По данному С - графу записываются матричные уравнения:

уравнение компонент системы

ВХ„=Х, (1)

отражающее зависимость входных и выходных сигналов структурных звеньев, и уравнение структуры

А • X = 0. (2)

Определяется размерность пространства состояний исследуемого объекта: матрица А (47 х 100); матрица В (100 x 57); вектор X (100 х 1); вектор Хех (57 х 1).

Подставляя в (2) выражение X из (1), получаем матричное уравнение С - графа:

А • В • ХВ1 = 0, (3)

или Н • X = О . (4)

Матричное уравнение С-графа показано на рис. 5.

Разработанная топологическая модель лесного массива, преобразованная в матричное уравнение, дает возможность получения закона управления состоянием исследуемого объекта.

В третьей главе на основе разработанной топологической модели выводится аналитическая зависимость основного параметра С? (интегральный критерий качества) от входных параметров.

Рис. 2. Функциональная схема влияния биогенных факторов на качественное состояние лесных массивов

Рис. 3. Структурная схема лесного массива

Рис.4. С-граф объекта исследования

Рис.5. Матричное уравнение С-графа Н*Хвх=0

Х1 Х8 хю Х17 Х19 Х21 Х23 Х25 Х27 Х29 Х39 Х41 Х43 Х56 Х63 Х72 Х77 Х84 Х85 Х88 ХЭ1 Х95 Х96 Х37

1 \Л/1 W4 №5 W8 -1

2 №2 W6 №20 \Л/11 -1 №13*№22

3 №3 №7 W21 -1

4 №14 W15 W16 W18 №18 -1

5 1 -1

6 \Л/19 W10 -1

7 -1 №22

8 W9 -1

Э \Л/26 \Л/29 W35 №41 -1

10 №23 W27 W30 -1 №40

11 W24 W28 W31 wзз -1 №39 №12*№22

12 W25 W32 W34 №43 -1

13 №36 -1

14 №37 №38 №42 -1 0

Х1 Х8 Х10 Х17 Х19 Х21 Х23 Х25 Х27 Х29 Х39 Х41 Х43 Х56 Х63 Х72 Х77 Х84 Х85 Х88 Х91 Х95 Х96 Х37

Рис.6 Матричное уравнение пониженного порядка Н" * XV = О

Рассматривается возможность понижения размерности пространства управляющих факторов. С этой целью проведено понижение порядка матричного уравнения системы (4), основанное на представлении основной матрицы уравнения в виде блочных подматриц.

В итоге преобразования матрицы Н размерностью (47x57) получено матричное уравнение

Н" • Х*1 = 0, (5)

где

Н" - матрица размерности (14x24); Х'| - вектор-столбец размерности (24x1).

Полученная математическая модель представляет собой описание взаимосвязи контролируемых параметров исследуемого объекта.

В зависимости от задач управления предложенная модель процессов лесной экосистемы может быть исследована в различных пространствах факторов.

Выбрав в качестве основного расчетного параметра Х95- интегральный показатель качества леса (2, из уравнения (5) получаем: Х95 = х29 ^12- \v22- \у42 + Х4з(\у23 ^38 + \v24- уу42) + + х56(\у26- \иЪ1 + \у27 ^38 + \v28- \у42) + + х6з(™29' \у37 + №30- лу38 +- шЗ 1 -\у42) + х72 wЗЗ■ w42 +

Хп(\цЗ5 -У/37 + \v36- \v41- \У37) + Х96(\У40- \У38 + w39 ^42), (6) где

Х29 - И - уровень выбросов, .т43 - йвозл - уровень загрязнения воздуха, *5б ■ бпочв - уровень загрязнения почвы, х63 - ОВ0Лы - уровень загрязнения воды, х72 - рНсреды,

х77 - Н - рекреационная нагрузка, х96 - Ь - подрост.

Полученное уравнение (6) является основой для проведения эксперимента с целью получения качественных значений параметров, обоснования требований к точности модели, разработки методики эксперимента.

Формально модель (6) можно представить в виде классической записи регрессионной модели

(7)

где

у-х95 - выходная величина, х,'е {х^, *72>*77, ^бЛз);

Ь, (/=1,...,7) - неизвестные коэффициенты регрессии.

Оценка каждого члена полученного уравнения закона управления состоянием лесного массива производится с помощью методов регрессионного анализа.

Коэффициенты находятся методом наименьших квадратов, т.е. из условия, что квадратичные отклонения значений экспериментальных точек от вычисленных по уравнению (7) должны быть минимальными по всей совокупности эксперимента..

Вектор неизвестных коэффициентов В найдем из соотношения:

В = Ъ -'•Хт-У = [ Хт-Х ] ~'-Хт -У . (8)

где

X = - матрица независимых переменных,

Хт = {^¡¡} - транспонированная матрица независимых переменных,

В = (¿>оЛ,---А)Т ■ вектор коэффициентов регрессии,

У - вектор наблюдаемых значений выходной величины.

Модель лесного массива в виде (7):

У = Ь\ Х\ +¿2 х{ + ¿3 х{ + ¿4 Х4' + ¿5 Х% + ¿6 Хб' + ¿>7

после вычисления коэффициентов Ъ\ (¡=1,...,7) на основе результатов наблюдений, примет вид:

у = 0,235038 Х\ + 0,365472 х2' + 0,025389 х3' - 0,01909 х*' +

+ 0,436433 х,' - 0,68875 х6' + 0,320562 х7' . (9)

Погрешность вычислений составляет

8 = ! Уюм - JVсч1 /1 УРасч1 = I 2 - 2,0745011 / 2,0745 01 =0,03.

Все вычисления проводятся на ЭВМ с использованием программы Microsoft Excel 7.0.

В четвертой главе на основании уравнения (9) построены графики зависимости интегрального показателя состояния леса от отдельных биогенных факторов и суммарного значения показателя по уравнению регрессии в зависимости от биогенных факторов. На основе анализа графиков делаются выводы о влиянии выбранных факторов на состояние лесного массива.

Зная характер и степень воздействия антропогенных факторов, можно управлять состоянием лесных экосистем. Предлагается схема алгоритма выдачи управляющих факторов на лесные экосистемы, а также организационные мероприятия по управлению экологическим состоянием лесов.

В заключении сформулированы основные научные положения и результаты диссертационной работы.

Основные выводы и рекомендации

Основной целью диссертации являлось построение математической модели территориальных лесных экосистем с целью устойчивого управления лесопользованием.

Формализованное представление лесного массива как техногенного объекта позволило с единых позиций теории управления решить задачу исследования и организации управления состоянием лесных экосистем на региональном уровне. Результаты моделирования получены в символьном (аналитическом) виде, что представляет широкие возможности для дальнейшей работы с моделью.

Метод идентификации объекта управления на основе топологической модели структурно-функционального представления системы позволил:

-обосновать минимальное число наблюдаемых параметров объекта;

-провести априорную идентификацию компонент исследуемого объекта;

-выработать стратегию прогнозирования процесса идентификации и управления объектом.

На основе предложенного метода можно выделить факторы, оказывающие наиболее угнетающее воздействие на компоненты лесных сообществ: твердые и растворимые фториды, растворимые вещества, кислотность среды и рекреационная нагрузка.

Таким образом, выбранный подход к решению задачи контроля состояния окружающей среды позволит разработать и реализовать систему непрерывного контроля состояния окружающей среды с возможностью управления этим состоянием.

Литература

Основные положения диссертации изложены в работах:

1.Алпатов Ю.Н., Медведева И.П. Построение математической модели лесных экосистем в зонах промышленных выбросовУ/Тезисы докладов IV Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Взаимоотношение общества и природы: история, современность и проблемы безопасности. Безопасность - 99». - Иркутск. - 1999, с. 73-74.

2. Алпатов Ю.Н., Медведева И.П. Разработка алгоритма управления состоянием лесных экосистем.//Труды Братского государственного индустриального института: Материалы XX научно-технической конференции. -Братск: БрИИ, 1999, с. 147-148.

3. Алпатов Ю.Н., Медведева И.П. О возможности применения топологических методов к исследованию состояния лесных экосистем. -Братск, гос. техн. ун-т -Братск, 1999, 7 с. - Деп. в ВИНИТИ, per. номер 3982-В-99.

4. Алпатов Ю.Н., Медведева И.Л. Построение структурного графа на примере лесных экосистем, подверженных влиянию промышленных эмиссий.//Экология. Образование. Здоровье./Труды международной научно-практической конференции. - Иркутск, 1999, 6 с.

5. Алпатов Ю.Н., Медведева И.П. Построение математической модели состояния лесных экосистем в матричной форме по заданному структурному графу..//Экология. Образование. Здоровье./Труды международной научно-практической конференции. - Иркутск, 1999, 7 с.

6. Алпатов Ю.Н., Медведева И.П. Определение размерности пространства управляющих факторов при моделировании процессов лесных экосистем. - Братск, гос. техн. ун-т -Братск, 1999, 7 с. - Деп. в ВИНИТИ, per. номер 3984-В-99.

7. Алпатов Ю.Н., Медведева И.П. Определение зависимости интегрального показателя качества лесонасаждений от компонентов техногенного загрязнения.//Экология. Образование. Здоровье./Труды международной научно-практической конференции. - Иркутск, 1999, 6 с.

8. Медведева И.П. Вывод уравнения закона управления лесной экосистемой/ - Братск. гос. техн. ун-т -Братск, 1999, 6 с. - Деп. в ВИНИТИ, per. номер 3983-В-99.

Разрешить размножение

автореферата диссертации в количестве 100 экз.

"J0-" января 2000 г.

Белокобыльский С.В.