3.8 Социоекологическое моделирование - ведущий исследовательский прием прикладной соціоекології

Соціальна екологія використовує методи як природних, так і гуманітарних наук.

Для того, щоб вивчати соціоекосистеми як цілісні об'єкти і керувати їх розвитком, соціоекологія повинна широко використовувати основні положення кібернетики (загальної теорії керування), системології (загальної теорії систем), інформатики (загальної теорії інформаційного забезпечення).

Для рішення соціоекологічних задач застосовується системний підхід.

Будь-який об'єкт екології являє собою систему чи частину системи, тому що всі елементи живої природи зв'язані.

Система - будь-який реальний чи мислимий об'єкт, цілісні властивості якого можуть бути представлені як результат взаємодії частин, що його складають;

- цілісність, що утворить єдність закономірно розміщених і взаємозалежних частин.

- сукупність частин, зв'язаних загальною функцією.

Основні методи, застосовувані сучасною екологією, у тому числі соціоекологією:

1. спостереження - відрізняються невтручанням спостерігача в процес;

2. експеримент - у екосистему навмисно вноситься звичайно одна зміна і через якийсь час порівнюються результати спостережень на контрольній і експериментальній ділянках екосистеми (однофакторний експеримент). Але такі експерименти в соціоекології мало реальні. Більш придатними є багатофакторні експерименти. Екологія широко використовує результати стихійних експериментів, що "ставить" сама чи природа ненавмисно людин.

3. моделювання.

У результаті спостережень і експериментів накопичується сукупність наукових фактів. Однак, як науковий факт не можна приймати результати будь-якого спостереження. Критерієм вірогідності спостережень і експериментів є їхня відтворюваність, що досягається багаторазовим повторенням спостережень і експериментів.

Результати повторюваних спостережень у сукупності складають вибірку, що відбиває генеральну сукупність.

Статистична обробка даних дозволяє оцінити рівень статистичної вірогідності результатів і вважати їх науковим фактом.

Найбільш ефективним способом вивчення складних систем є їхнє моделювання - метод пізнання, при якому вивчається не сам пізнаваний об'єкт, а його модель.

Модель - це штучно створений об'єкт у виді схеми, фізичних конструкцій, формул, подібний до досліджуваного об'єкта, відображає в більш простому і грубому виді структуру, властивості, взаємозв'язки і відносини між елементами цього об'єкта.

В основі моделювання лежить визначена відповідність (але не тотожність) між досліджуваним об'єктом і його моделлю.

У моделі об'єкт спрощується. Абстрагуючи від другорядного, у ній можна виділити істотні зв'язки і відносини, що досліджуються.

У процесі дослідження в моделі розкриваються нові зв'язки, які потім переносяться на реальний об'єкт.

Процес моделювання складається з трьох етапів:

1) вивчення феномена і нагромадження фактів;

2) побудови і вивчення моделі;

3) використання його висновків у практичній діяльності.

Модель об'єкта може бути:

1. його матеріальна копія (навіть виконана з іншого матеріалу й в іншому масштабі) (як акваріум - модель ставка). Урбоэкологи часто використовують "міські" поселення термітів, мурах і піщанок для вивчення особливостей розвитку великих людських поселень. Так, наприклад, у "місті" піщаних термітів є такі функціональні зони, як міський центр, житлова, комунально-складська, зона життєзабезпечення у виді повітряної камери, внутріміські і межміські шляхи сполучення, зелена зона.

2. реальний об'єкт природи, спеціально виділений для вивчення в природному середовищі;

3. абстрактна - абстрактні описи об'єкта, що дозволяють аналізувати його визначені властивості. Перевагу - дозволяють простими і недорогими способами аналізувати поводження экосистем і передбачати характер їхніх змін.

Моделі можуть бути статичними і динамічними, безупинними і дискретними, детерміністськими і стохастичними, символічними й ін.

Детерміністські моделі - у який фактор визначається поруч параметрів, наприклад,

у=у₀еrt

у - щільність популяції;

r - константа, що показує здатність до збільшення популяції даного виду;

t – час;

е - основа натурального логарифма.

У цій моделі щільність популяції визначається параметрами у₀, е, r, t.

Однак, екологічні об'єкти рідко мають чітку визначеність. Частіше вони залежать від випадкових, стохастичних коливань значення одного чи декількох параметрів системи.

Наприклад, стохастичний характер може мати освітленість протягом доби через непередбачений рух хмар.

Моделі, що враховують случайностный чи стохастический компонент, називаються стохастичними, вони боле відповідають реальності.

Види абстрактних моделей:

1. Вербальні - словесні описи елементів і процесів екосистем;

2. Графічні - схематичні зображення компонентів системи і зв'язків між ними;

3. Математичні - описують систему у виді одного чи декількох математичних виражень.

Моделювання екологічних об'єктів на основі абстрактних моделей має наступний алгоритм:

1. Визначається об'єкт моделювання;

2. Визначаються границі об'єкта;

3. Ставиться мета моделювання;

4. На основі мети складається перелік компонентів і зв'язків, що включає модель;

5. З'ясовуються співвідношення між компонентами системи, що може бути представлене у виді математичного вираження.

У період конструювання і моделювання моделі перевіряється її відповідність реальному об'єкту, модель може ускладнюватися чи спрощуватися.

Складні динамічні системи неможливо вивчати без математичного моделювання з застосуванням універсальних моделюючих пристроїв - цифрових і аналогових ЕОМ, персональних комп'ютерів. Завдяки органічному сплаву кібернетики, системології й інформатики формується новий перспективний науковий напрямок - системне моделювання, чи системний аналіз.

Системне моделювання - представлення об'єктів різної природи у виді систем, що складаються з взаємодіючих елементів; у виборі математичної структури, що відбиває ця взаємодія; у дослідженні таких моделей за допомогою ЕОМ.

Системний аналіз - це прикладна дисципліна, що займається рішенням конкретних проблем, що виникають у процесі проектування й аналізу складних технічних, біологічних, економічних і інших систем.

Але реальні об'єкти екології дуже складні і не піддаються математичному опису. Т.к. у більшості випадків мова йде про багаторівневі нелінійні задачі з великим числом перемінних, аналітичні рішення практично неможливі, на перше місце висуваються чисельні методи імітаційного моделювання, засновані на застосуванні сучасної обчислювальної техніки.

Імітаційне моделювання - процес конструювання моделі реальної системи і постановки на ній експериментів з метою зрозуміти поводження системи чи оцінити різні стратегії, що забезпечують функціонування даної системи.

Серед методів прикладного системного аналізу імітаційне моделювання є самим могутнім інструментом дослідження складних систем. У порівнянні з іншими методами таке моделювання дає можливість розглядати більша кількість альтернатив, поліпшувати якість управлінських рішень і точніше прогнозувати їхнього наслідку.

Імітаційне моделювання дозволяє експериментувати з моделями систем, коли подібне експериментування на реальних системах неможливо чи небажано. Його доцільно застосовувати також тоді, коли відсутні опис об'єкта класичними моделями (диференціальні рівняння, оптимальне керування, мережі, графи й ін.), або коли наявні моделі занадто складні для реалізації на ЕОМ чи информационно не забезпечені.

Безпосередні експерименти над соціоекосистемами неприпустимі без попереднього "програвання" природоперетворюючих проектів на їхніх моделях. Як свідчать численні приклади, подібна практика, як правило, приводить до найважчих наслідків.

Імітаційне моделювання соціоекологічних процесів і систем, що виступає за назвою соціоекологічного моделювання, є різновидом системного моделювання. При цьому моделі екологічних і економічних систем включаються у виді блоків у моделі систем більш високого рівня - соціоекологічних.

Задачі соціоекологичного моделювання:

1. виявлення структури соціоекосистем і закономірностей їхнього функціонування, взаємодії складових їх природних і соціально-економічних компонентів;

2. визначення основних параметрів динамічної рівноваги (гомеостаза) і оптимального стану кожної конкретний соціоекосистеми;

3. установлення ступеня наближення соціоекосистем до критичного стану;

4. прогнозування розвитку соціоекосистем при різних стратегіях антропогенного впливу;

5. визначення оптимальної функціональної структури, що забезпечує оптимальний режим природокористування кожної конкретний соціоекосистеми;

6. вибір оптимальної стратегії соціально-економічного розвитку соціоекосистем, що забезпечує збереження їхньої динамічної рівноваги й одержання максимального економічного ефекту;

7. керування розвитком соціоекосистем.

Отже, соціоекологічне моделювання повинне забезпечувати рішення центральної задачі проблеми гармонізації взаємин між суспільством і природою - оптимізації соціоекосистем і керування їхнім розвитком.

Перша спроба формалізувати описание соціоекологічних процесів була прийнята в 1971 р. американським дослідником Дж. Форестером.

У своїй книзі "Світова динаміка" Форестер запропонував деякий варіант моделі економічного розвитку, що містить лише два екологічних параметри: чисельність населення і забруднення середовища. Модель дозволила оцінювати взаємний вплив цих параметрів, з одного боку, і темпів економічного розвитку - з іншої.

Уперше була продемонстрована принципова можливість об'єднати виробничі, соціальні й екологічні процеси одним формалізмом.

Через рік після "Світової динаміки" вийшла у світло книга "Межі росту", написана групою вчених під керівництвом Д. Мідоуза. Модель Мідоуза - "Світ-3" - являє собою систему нелінійних диференціальних рівнянь, що описують динаміку взаємодії таких секторів, як народонаселення, промисловість, сільське господарство, не поновлювані природні процеси, забруднення середовища й ін. Метою їхньої роботи було виявлення загальних якісних тенденцій процесу взаємозалежної зміни основних перемінні системи, аналіз чутливості результатів стосовно різного закладеним у модель припущенням.

Роботи Форестера і Мідоуза викликали широкий відгук у світовій літературі. Принциповим недоліком математичних моделей "Світ-2" і "Світ-3" було те, що моделі не відбивали можливості свідомого впливу людини на процес розвитку.

Позитивний момент: уперше були системно проаналізовані деякі глобальні економічні, демографічні й екологічні процеси.

Наступним етапом у роботах по глобальному моделюванню з'явився проект "Стратегія виживання", що очолив М. Месарович (США) і Е. Пестель (ФРН). Критикуючи модель "Мир-3" як "механічну", Месарович і Пестель висувають задачу побудови "кібернетичної" моделі світу. Основні принципи її побудови можуть бути сформульовані в трьох тезах:

1. Модель, що відбиває складні процеси взаємодії людини з навколишнім середовищем, повинна ґрунтуватися на теорії багаторівневих ієрархічних систем.

2. Модель повинна бути керованої, тобто містити в собі процес прийняття рішень, що дозволяє врахувати можливість свідомого впливу людини на розвиток світової системи. Для цього необхідно забезпечити роботу в режимі діалогу між дослідником моделі й ЕОМ.

3. Світ варто розглядати не як єдине однорідне ціле, а як систему взаємодіючих регіонів, що розрізняються рівнем розвитку, населенностью і т.п.

У моделі Месаровича - Пестеля (М-П-модель) усі країни світу, відповідно до їхніх соціально-економічних структур і рівнів розвитку, об'єднані в 10 регіонів; кожен регіон описується системою регіональних подмоделей, їхня структура - та сама для всіх регіонів, відмінність - у початкових даних і значеннях параметрів. Зв'язок регіонів здійснюється через міграцію населення, імпорт і експорт продукції.

У 1974 р. група аргентинських учених на чолі з професором А. Ерерой одержала попередні результати роботи над латиноамериканською моделлю глобального розвитку. Передумови для виконання роботи під час обговорення моделі "Світ-3" послужив тезис про те, що основні перешкоди на шляху гармонійного розвитку людства полягає головним чином у нерівномірному розподілі багатства між різними країнами.

У моделі Ереры за основну мету розвитку людського суспільства прийняте досягнення задовільних умов життя всіма країнами світу, а не просто ріст матеріального споживання. Під задовільними умовами розуміються деякі досить високі рівні медичного обслуговування, утворення, забезпеченості харчуванням і житлом.