0105065森林資源系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真與現(xiàn)代化管理(doc)
森林資源系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真與現(xiàn)代化管理* 李 昀** （北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，100083） 崔賽華 （北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，100083） 鄭治剛 （國(guó)家林業(yè)局規(guī)劃院，100714） 摘要 本文論述了森林資源系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真理論和方法，它是森林資源現(xiàn)代化管理的理 論基礎(chǔ)和最主要的系統(tǒng)方法之一。 關(guān)鍵詞 森林資源 模型 計(jì)算機(jī)仿真 現(xiàn)代化管理 1 引言 森林資源系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，就是借助描述森林資源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)上對(duì) 森林資源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生滅過(guò)程進(jìn)行各種模擬、試驗(yàn)和計(jì)算分析。由于計(jì)算機(jī) 仿真具有模擬、試驗(yàn)、協(xié)調(diào)、控制、優(yōu)化、運(yùn)籌、決策等功能，使得其成為現(xiàn)代化管理 理論的依據(jù)和最主要的系統(tǒng)方法之一。因此，森林資源系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是林業(yè)科學(xué)工 作和系統(tǒng)理論工作者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。 目前，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)所進(jìn)行的森林資源的計(jì)算機(jī)仿真，所使用的數(shù)學(xué)模型不是 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途褪墙y(tǒng)計(jì)模型，并多為常微分方程。它們都不是根據(jù)森林資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 和生滅過(guò)程而推出的數(shù)理方程，這些模型都不能從空間和時(shí)間狀態(tài)同時(shí)對(duì)森林資源的“生 ”、“長(zhǎng)”、“死”及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律作出深刻而準(zhǔn)確的描述和表達(dá)。因此，用這樣的數(shù)學(xué)模型 進(jìn)行的計(jì)算機(jī)仿真不可能對(duì)森林資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生滅過(guò)程作深刻、精確的描述和 表達(dá)，不能對(duì)森林資源進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬、試驗(yàn)和分析，用這樣的模型對(duì)森林資源進(jìn)行計(jì) 算機(jī)仿真很難建立起森林資源現(xiàn)代化管理的計(jì)算機(jī)仿真理論和技術(shù)方法。 本文論述的森林資源系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真所使用的數(shù)學(xué)模型是我們?cè)谝淹瓿傻膰?guó)家自然科 學(xué)基金項(xiàng)目中所推導(dǎo)的描述森林資源動(dòng)態(tài)變化和生滅過(guò)程的數(shù)理方程，這些模型是維數(shù) 不等的偏微分方程，描述了森林資源的狀態(tài)空間和時(shí)間空間內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、生滅過(guò) 程和運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，森林資源系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是屬于分布參數(shù)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真。 2 森林資源系統(tǒng)仿真的數(shù)學(xué)模型 森林資源是森林的數(shù)量和質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)度和表達(dá)，是森林具有財(cái)產(chǎn)和價(jià)值的屬性部分 。目前，森林資源一般是指森林的面積資源和立木蓄積資源。森林資源是由森林各種各 樣維數(shù)不等的數(shù)量分布結(jié)構(gòu)組成，森林的這種數(shù)量分布結(jié)構(gòu)稱為森林資源分布結(jié)構(gòu)。森 林資源是森林?jǐn)?shù)量分布結(jié)構(gòu)的總稱，是各種特定（具體）的森林資源分布結(jié)構(gòu)的集合體 ，每一種特定的森林資源分布結(jié)構(gòu)表示了一種特定（具體）的森林資源。 根據(jù)森林資源是由許許多多一維、二維……n維等數(shù)量分布結(jié)構(gòu)組成，并依據(jù)森林資源 分布結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生滅過(guò)程推導(dǎo)出了描述森林資源分布結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生 滅過(guò)程的數(shù)理方程。 (1)同齡純林的林齡面積分布結(jié)構(gòu)變化方程： [pic] (1 ) (2)林木直徑分布結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化方程： [pic] (2 ) (3)林木株數(shù)的直徑·樹高分布結(jié)構(gòu)變化方程： [pic](3 ) (4)混交林的林木直徑分布結(jié)構(gòu)變化方程： [pic] (4 ) (5)混交異齡林的林木株數(shù)的直徑·林齡分布結(jié)構(gòu)變化方程： [pic] (5 ) (6)混交異齡林的面積按混交系數(shù)·平均年齡分布的分布結(jié)構(gòu)變化方程： [pic] (6 ) (7)森林資源分布結(jié)構(gòu)變化方程的一般形式（通式方程） [pic] (7 ) 以上均為方程的連續(xù)型模型。森林資源的計(jì)算機(jī)仿真就是用上述方程的離散型模型。 離散型模型一般可用向量的形式或矩陣的形式表示，由于篇幅關(guān)系上述方程的離散型模 型從略。 在上述方程中，（1）至（6）式是描述森林資源某些具體分布結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和 生滅過(guò)程的數(shù)理方程；（7）式是描述森林資源各種連續(xù)型、階梯型分布結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化 規(guī)律和生滅過(guò)程的數(shù)理方程，是通式方程，（1）至（6）式是（7）式的具體化。由于森 林資源是由各種分布結(jié)構(gòu)組成，因此森林資源就得到了描述。 上述所有模型都把自己所描述的系統(tǒng)（分布結(jié)構(gòu)）在t時(shí)的狀態(tài)（P(t)），起始狀態(tài) （p(o)）、t時(shí)刻生的狀態(tài)（φ(t)）、死的狀態(tài)（μ(t)）、長(zhǎng)的狀態(tài)（ψ(t)）等有機(jī)的連 系在一起，充分地表示了它們之間的數(shù)量關(guān)系，描述了系統(tǒng)與個(gè)體、個(gè)體與個(gè)體之間的 相互數(shù)量關(guān)系及生滅過(guò)程的數(shù)量關(guān)系，深刻地揭示了森林資源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生 滅過(guò)程，描述了森林資源在時(shí)間空間上運(yùn)動(dòng)的軌跡。同時(shí)這些模型都有解，且解唯一， 并具有連續(xù)依賴變量而變化。這些都為森林資源的計(jì)算機(jī)仿真提供了可靠的數(shù)學(xué)模型， 堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和數(shù)理方法。 3 森林資源計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的主要內(nèi)容 森林資源系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的關(guān)鍵是對(duì)偏微分方程進(jìn)行求解，即如何將數(shù)學(xué)模型變?yōu)榉?真模型。由仿真模型可以研制適合于森林資源特點(diǎn)的分布參數(shù)系統(tǒng)仿真軟件，從而在計(jì) 算機(jī)上實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算。本文對(duì)如何具體編制仿真軟件不作討論，只對(duì)如何通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn) 各種仿真目標(biāo)進(jìn)行討論。 3.1森林資源仿真計(jì)算的主要目標(biāo) (1)模擬森林資源的動(dòng)態(tài)變化和生滅過(guò)程的仿真計(jì)算 描述森林資源分布結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化和生滅過(guò)程的連續(xù)型模型離散化變?yōu)殡x散型模型。將 其任意時(shí)間t的起始（初值）狀態(tài)p(0)、生的狀態(tài)φ(t)、長(zhǎng)的狀態(tài)Ψ(t)、死的狀態(tài)μ(t)等 值代入方程，可得到系統(tǒng)（森林資源分布結(jié)構(gòu)）在各個(gè)不同時(shí)間，不同的生、長(zhǎng)、死狀 態(tài)下的狀態(tài)值，從而在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)森林資源分布結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)度化和生滅過(guò)程的模擬仿真 計(jì)算。 ①森林資源的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)計(jì)算。監(jiān)測(cè)就是通過(guò)各種調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、遙感等方法和手段， 即時(shí)獲得各個(gè)時(shí)間段上系統(tǒng)的造林更新率β(t)、保存率γ(t)、生長(zhǎng)率ψ(t)、死亡率μ(t) 等參數(shù)代入方程，計(jì)算出各時(shí)間段上森林資源（系統(tǒng)）的狀態(tài)值，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。利用 模型進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，其實(shí)質(zhì)就是對(duì)模型的基本函數(shù)γ(t)、β(t)、ψ(t)、φ(t)、μ(t)等進(jìn) 行外推，外推值代入方程計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)某系統(tǒng)未來(lái)的預(yù)測(cè)。 ②森林資源現(xiàn)狀分析計(jì)算。 ③森林資源再現(xiàn)計(jì)算。有了森林資源現(xiàn)在的狀態(tài)值S（k）和k—1時(shí)到K時(shí)的ψ（k- 1）、φ(k-1)、μ(k-1)的值就可以計(jì)算過(guò)去（k- 1）的森林資源的狀態(tài)值，實(shí)現(xiàn)森林資源的再現(xiàn)。 ④計(jì)算指標(biāo)參數(shù)體系，對(duì)森林資源進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于描述森林資源分布結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型 是數(shù)理方程即理論模型，因而所有描述森林資源質(zhì)量和數(shù)量的指標(biāo)參數(shù)都可以通過(guò)它的 狀態(tài)函數(shù)而計(jì)算出來(lái)。通過(guò)模擬仿真計(jì)算，只要計(jì)算出它任意時(shí)間后狀態(tài)值，就可以計(jì) 算出相應(yīng)時(shí)間的各種指標(biāo)參數(shù)，形成指標(biāo)參數(shù)體系。可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)森林資源進(jìn)行 科學(xué)的評(píng)價(jià)。 (2)對(duì)經(jīng)營(yíng)方案，措施等進(jìn)行優(yōu)化的仿真計(jì)算 模型中的γ(t)、β(t)、φ(t)、Ψ(t)、μ(t)等基本函數(shù)值的大小，在實(shí)際生產(chǎn)中和森林 資源經(jīng)營(yíng)和管理活動(dòng)中的經(jīng)營(yíng)措施和經(jīng)營(yíng)方案等有密切的關(guān)系。而這些基本函數(shù)的值在 已知t時(shí)的狀態(tài)值P(t)，起始狀態(tài)（初值）的值P(0)及其它基本函數(shù)值的情況下，無(wú)論是 通過(guò)方程的連續(xù)型模型還是離散型模型都可以求出。在實(shí)際生產(chǎn)中就是在已知經(jīng)營(yíng)森林 資源者所需要的狀態(tài)或要達(dá)到的狀態(tài)P(t)，以及目前的狀態(tài)即起始狀態(tài)P(0)，如何從目 前的狀態(tài)P(0)達(dá)到所需要或要達(dá)到的狀態(tài)P(t)，應(yīng)采取什么經(jīng)營(yíng)措施，即通過(guò)采（μ）多 少，造（φ）多少，長(zhǎng)（φ）多少才能達(dá)到所要求的狀態(tài)，即通過(guò)什么樣的經(jīng)營(yíng)措施和方 案才能達(dá)到。這些都可以通過(guò)方程分別求得每一個(gè)基本函數(shù)的值，該值就是應(yīng)該采取的 措施值，這一完整的經(jīng)營(yíng)方案，經(jīng)營(yíng)措施的優(yōu)化過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)的仿真模型編制成仿真 軟件，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)仿真計(jì)算完全可以實(shí)現(xiàn)。并且可以對(duì)多個(gè)方案，各種可能的經(jīng)營(yíng) 措施進(jìn)行模擬、試驗(yàn)、對(duì)比等仿真計(jì)算，尋求最優(yōu)或最佳方案和措施。這是計(jì)算機(jī)仿真 的一大優(yōu)點(diǎn)，人工計(jì)算是不可想象的。 (3)控制的仿真計(jì)算 在控制論中，許多復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題都是利用系統(tǒng)的仿真計(jì)算而實(shí)現(xiàn)可控計(jì)算和討 論，把仿真計(jì)算作為實(shí)現(xiàn)可控計(jì)算的工具和方法之一。同樣森林資源的結(jié)構(gòu)調(diào)整以及森 林資源的最優(yōu)控制等都可以通過(guò)描述森林資源的數(shù)理方程在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真計(jì)算來(lái)實(shí) 現(xiàn)。 森林資源的結(jié)構(gòu)調(diào)整其實(shí)質(zhì)是森林資源的分布結(jié)構(gòu)調(diào)整。就是由現(xiàn)在的一種不合理（ 不理想）的分布結(jié)構(gòu)狀態(tài)出發(fā)，在一定時(shí)間內(nèi)或在最短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)不斷的調(diào)整控制變 量，平穩(wěn)過(guò)渡到理想（合理）的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，是一個(gè)控制問(wèn)題。在林業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，森林 資源分布結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要是通過(guò)采伐和造林更新達(dá)到調(diào)控的目的，在目前的科技水平下 林木的生長(zhǎng)速度還無(wú)法做到控制。 森林資源的控制就是通過(guò)可控制變量的取值范圍和大小進(jìn)行調(diào)控，在使得路徑最短（ 最優(yōu)）或時(shí)間最短（最優(yōu)）或結(jié)構(gòu)最佳等的情況下由目前的狀態(tài)過(guò)渡到理論或要求的狀 態(tài)。這一討論和分析過(guò)程同樣也可以通過(guò)仿真計(jì)算而實(shí)現(xiàn)。例如森林資源的可持續(xù)發(fā)展 的定量描述只有通過(guò)描述森林資源的數(shù)理方程而建立的控制理論和方法、仿真理論和方 法才能建立和完成。同樣，森林資源與環(huán)境和人類社會(huì)關(guān)系的協(xié)調(diào)、平衡和發(fā)展及其實(shí) 現(xiàn)也只有通過(guò)森林資源的控制理論和方法與森林資源的仿真理論和方法才能建立和實(shí)現(xiàn) 。 (4)運(yùn)用森林資源的計(jì)算機(jī)仿真替代傳統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)方案編制 森林經(jīng)理學(xué)（森林的經(jīng)營(yíng)和管理的科學(xué)）的主要研究?jī)?nèi)容之一是編制施業(yè)案或稱經(jīng)營(yíng) 方案等。過(guò)去編制經(jīng)營(yíng)方案是根據(jù)森林的現(xiàn)狀（靜態(tài)）和林分的狀況及地形、土壤、氣 候等因素，并且根據(jù)編制人員理論和經(jīng)驗(yàn)而確定森林資源今后5年或10年或更長(zhǎng)時(shí)間對(duì)經(jīng) 營(yíng)的目的（要達(dá)到目標(biāo)），應(yīng)采取的措施如撫育、間伐等編制一個(gè)實(shí)施方案。這樣編制 出的方案是一個(gè)靜態(tài)、一成不變的東西，是憑人的某種主觀意識(shí)和經(jīng)驗(yàn)而編制的。而森 林資源及其環(huán)境時(shí)刻都在變化，其中很多因素是人無(wú)法控制和預(yù)知的。因此，用一個(gè)既 定的方案去要求一個(gè)分復(fù)雜而不斷變化著的系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)預(yù)先的目標(biāo)，這是很難想象的。 事實(shí)上生產(chǎn)中幾乎所有編制的經(jīng)營(yíng)方案都無(wú)法實(shí)踐，都行不通。借助森林資源的數(shù)理模 型，在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)森林資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和模擬仿真，從而達(dá)到制定各種最佳方案并加 以實(shí)施，做到時(shí)時(shí)掌握森林資源系統(tǒng)的變化情況以及發(fā)展趨勢(shì)。因此，用建立森林資源 計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算和決策支持系統(tǒng)代替經(jīng)營(yíng)方案及其編制完全可能和可行。 3.2 森林資源仿真的輔助計(jì)算 為了實(shí)現(xiàn)各種仿真計(jì)算的目標(biāo)，需要進(jìn)行仿真的輔助計(jì)算，以滿足仿真計(jì)算所需的...
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