Імітаційне моделювання в ерозієзнавстві
Імітаційне моделювання – це сучасний різновид математичного моделювання, який базується на можливостях ЕОМ. У лінгвістичному плані поєднання слів «імітація» і «моделювання» є тавтологією (як зазначає академік М.М. Моісєєв із співавторами (1985), є лінгвістичним нонсенсом), оскільки імітація і модельний опис – це, по суті, синоніми. Незважаючи на це, термін «імітаційне моделювання» широко застосовується на практиці, оскільки позначає цілком окрему сферу математичного моделювання. Саме ту, де процедура отримання нової інформації про складний об'єкт може бути виконана тільки шляхом експериментування з його моделлю на ЕОМ.
Зародження імітаційного моделювання припадає на 60-70-ті роки XX сторіччя і пов'язане, перш за все, з роботами Дж. Форрестера (США), який уперше застосував даний метод для моделювання виробничо-господарської діяльності підприємства. Широко відомі роботи Дж. Форрестера і Д. Медоуза з моделювання світової динаміки в проектах глобального розвитку «Світ-2» і «Світ-3», виконані на початку 1970-х років (Форрестер, 1978). Значний внесок у розвиток основ імітаційного моделювання вніс Р. Шеннон, робота якого «Імітаційне моделювання систем – мистецтво і наука» (1978) не втратила актуальності до цього часу. У колишньому Радянському Союзі імітаційне моделювання як метод аналізу і прогнозування почало застосовуватися наприкінці 70-х – на початку 80-х років минулого сторіччя. Принципи імітаційного моделювання стосовно розв'язання завдань раціонального природокористування були відпрацьовані при створенні і експлуатації імітаційних систем Азовського моря та його басейну в Північно-Кавказському науковому центрі вищої школи під керівництвом І.І. Воровича (1981), глобальної моделі біосфери «Гея», розробленої під керівництвом М.М. Моісєєва в Обчислювальному центрі АН СРСР (1984), і ряді інших розробок.
У нинішній час імітаційне моделювання є одним із найбільш ефективних методів дослідження й оптимізації керування складними природними і природно-господарськими системами. Дійсним втіленням ідеї імітаційного моделювання (Ворович и др., 1984) слід вважати імітаційну систему (імітаційну модель) – людино-машинну систему, що забезпечує проведення імітаційного експерименту в режимі діалогу між людиною, що проводить експеримент, і «машиною», тобто комплексом програм, який містить програмно-реалізовану математичну модель системи-оригіналу і керуючі програми. Можливості сучасної обчислювальної техніки знімають багато обмежень щодо просторово-часового опису об'єкта, який моделюється, завдяки чому існує можливість виконувати моделювання дуже складних природно-господарських систем.
Імітаційні моделі можуть бути використані як в імітаційному, так і в оптимізаційному режимах. У першому випадку модель використовується для вибору тієї або іншої стратегії шляхом численних експериментів з нею при визначених значеннях змінних, що характеризують стан системи-оригіналу (ендогенних, або внутрішніх, змінних) та зовнішній вплив (екзогенних, або зовнішніх, або керуючих, змінних). Якщо при заданій цільовій функції за допомогою моделі намагаються знайти оптимальну стратегію, тобто значення змінних, що забезпечують оптимальні значення критерію, то модель називають оптимізаційною.
Щодо завдання оптимізації агроландшафтних систем через недостатню формалізацію процедури вибору оптимальних значень ендогенних змінних (характеристик агроландшафтних систем), наявність декількох критеріїв оптимізації, складність та нелінійність математичних моделей, що описують їх функціонування, застосування формальних процедур оптимізації практично неможливе. Унаслідок цього практично єдиним методом досліджень і оптимізації агроландшафтних систем і їх підсистем, зокрема ерозійної, з використанням детальних моделей функціонування є імітаційний. При цьому важливе значення мають правильно сформульовані сценарії експериментів з моделлю, що враховують мету і завдання досліджень, структуру і можливості імітаційної системи. У процесі цілеспрямованих імітаційних експериментів, які дозволяють оцінити (спрогнозувати) наслідки поведінки системи при різних варіантах (сценаріях) використання агроландшафту, шляхом постійного корегування значень керуючих змінних можна вибрати саме ті з них, які забезпечують відповідність обраній системі економічних і екологічних критеріїв.
Імітаційне моделювання успішно застосовується для вирішення різних теоретичних і прикладних ерозієзнавчих завдань у США (EPIC .. 1990), Росії (Сухановський, 1990, 2000) та інших країнах. Досвід застосування методу імітаційного моделювання для завдань, які пов'язані з обгрунтуванням раціонального використання ерозійно-небезпечних земель, був накопичений в Одеському національному університеті ім. І.І. Мечникова в процесі розробки й експлуатації комп'ютерної системи оптимізації використовування ерозійно-небезпечних земель «Агроландшафт» (Svetlitchnyi et al., 1992; Швебс та ін., 1993 і ін.). На рис. 2.1 представлена структура комп'ютерної системи «Агроландшафт», яка є характерною для імітаційних систем подібного типу. Вона складається з:
- банку програмно-реалізованих математичних моделей і методик, що забезпечують оцінку ерозійної, дефляційної та яружної небезпеки території і обгрунтування раціонального використання її земельних ресурсів;
- банку довідкової інформації, що містить значення параметрів моделей для природно-господарських умов Північно-Західного Причорномор'я, які були отримані на основі узагальнення польових і літературних даних;
- бібліотеки сценаріїв, яка містить рекомендовані аграрною наукою для умов Північно-Західного Причорномор'я сівозміни і технології обробки сільськогосподарських культур;
- модуля підготовки даних, у якому створюються файли вхідних даних для кожного імітаційного експерименту;
- модуля візуалізації – подання результатів у табличному і графічному вигляді;
- інтерфейсу користувача, який надає можливість в інтерактивному режимі вносити зміни в робочі сценарії або формувати нові.
Рис. 2.1. Блок-схема комп'ютерної системи оптимізації використовування ерозійно-небезпечних земель «Агроландшафт»Аналіз результатів цілеспрямованих обчислювальних експериментів з використанням імітаційної системи, подібної системі «Агроландшафт», дозволяє вибрати сценарій використання земельних ресурсів даної території, найкращим чином відповідний сформульованим економічним, екологічним (а в разі потреби і соціальним) критеріям. Більш детально про комп'ютерну систему «Агроландшафт» можна прочитати у монографії (Светличный и др., 2004).