系統(tǒng)動力學在林業(yè)中的運用
- 期刊名字:西南林學院學報
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- 論文作者:李宏,唐守正
- 作者單位:中國林業(yè)科學研究院北京100091
- 更新時間:2020-08-30
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第20卷第3期Vol. 20 No. 3000年9月JOURNAL OF SOUIHWEST FORESIRY COLFGE系統(tǒng)動力學在林業(yè)中的運用李宏,唐守正(中國林業(yè)科學研究院,北泉10091)摘要:對系統(tǒng)動力學的發(fā)展過程、特點和在林業(yè)科學中的運用進行了綜述,并指出了應用過程中存在的問題和發(fā)展趨勢關鍵詞:系統(tǒng)動力學;森林資源;反饋環(huán)中圖分類號:019文獻標識碼:A文章編號:10-717(x00-0174-061概述系統(tǒng)動力學( System Dymamics縮寫為S.D),也稱為系統(tǒng)動態(tài)學,是由美國麻省理工學院的福雷斯特教授50年代創(chuàng)立的,它是以反饋控制理論為基礎、數(shù)字計算仿真技術為手段、研究復雜社會經(jīng)濟大系統(tǒng)的方法其理論基礎是20世紀40年代維納教授創(chuàng)立的控制論系統(tǒng)動力學產(chǎn)生初期,主要運用于工業(yè)生產(chǎn)過程中庫存的波動、勞動力的不穩(wěn)定以及市場股票下跌等問題,因此被稱為“工業(yè)動力學”.70年代初,系統(tǒng)動力學模型被用于研究世界模型、美國經(jīng)濟模型,獲得了空前的成功解開了一些經(jīng)濟學中長期存在的疑團,如“長波”現(xiàn)象形成的原因21.目前,系統(tǒng)動力學廣泛運用于研究城市經(jīng)濟發(fā)展、企業(yè)經(jīng)營管理宏觀經(jīng)濟規(guī)劃、區(qū)域經(jīng)濟、科技管理、能源規(guī)劃醫(yī)學,甚至于工程系統(tǒng)等許多領域我國于80年代初引進系統(tǒng)動力學后,不僅在理論上進行了研究1-,而且從國家、城市、地區(qū)、其它專題層次上,對社會經(jīng)濟系統(tǒng)分析(宏觀、區(qū)域、縣鄉(xiāng))8-10、發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟社會發(fā)展總體規(guī)劃B、城市生態(tài)系統(tǒng)研究生產(chǎn)管理(設備投資與折舊、工業(yè)生產(chǎn))4、技術進步促進經(jīng)濟發(fā)展作用、資源配置與土地承載能力35-18、農(nóng)林牧副漁動態(tài)調(diào)節(jié)與控制19-2等方面都進行了廣泛研究與運用80年代以前,DOS環(huán)境下系統(tǒng)動力學的仿真軟件主要有 DANAMOⅡ, DANAMOⅢDANAMo IYL4. DANAMOⅢ具備陣列式描述功能, DANAMOⅣ具有處理特高階數(shù)模型能力80年代中后期仿真軟件主要有PD-PLUs( Professional Dynam-PLUS), DYSMAP等系列年代出現(xiàn)了可在 WINDOWS環(huán)境下運行的仿真軟件Ⅴ ensim和 MODELMAKER3.02.MODE收稿日期:2000-09-06M中國煤化工蒿金項目:國家自然科學基金傾斜項目“東北過伐林區(qū)可目“森林資源監(jiān)測指標體系和先進技術的引進"資助CNMHG作者簡介:李宏(1965-),男,江西于都人,講師博士林賢管理慟工怍中國科學院院士第3期李宏等:系統(tǒng)動力學在林業(yè)中的運用MAKER3.02是由 Cherwell Scientific公司開發(fā)的優(yōu)秀的系統(tǒng)動力軟件,它將畫系統(tǒng)流圖和編程這兩步繁雜的工作融為一體,編程過程可視性很強;不僅變量、參數(shù)可以直接用中文加以注釋,而且可以通過文本框在圖中任意位置加入文本材料或背景知識,對軟件/程序加以說明孫國基等2開發(fā)和研制了EXSL-仿真軟件能夠提供比 DYNAMO語言更精確的積分方法和更多的函數(shù)此外朱志明等2用Bic語言、李廣毅等叫用C語言編寫了仿真軟件2系統(tǒng)動力學的特點系統(tǒng)動力學的研究對象主要是非線性、高層次、多變量、多重反饋復雜時變的開放系統(tǒng)如社會、經(jīng)濟、生物和生物系統(tǒng),其研究目的是:(1)通過分析系統(tǒng)內(nèi)的因果反饋關系和眾多因素對系統(tǒng)目標的影響,從中篩選出影響系統(tǒng)發(fā)展的主導因子;(2)分析預測不同經(jīng)營策略可能帶來的資源、環(huán)境、生態(tài)環(huán)境影響,為經(jīng)營者和決策者提供決策依據(jù)系統(tǒng)動力學的特點是:對數(shù)據(jù)的依賴性較小;采取定性、定量相結(jié)合的結(jié)構(gòu)——功能模擬方法,強調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析;“積木型”的模型結(jié)構(gòu),操作靈活,可塑性很強;既可以對未來進行預測,也可以回顧系統(tǒng)歷史行為;比較容易反映非線性和延期反應等用數(shù)學形式難以表達的過程系統(tǒng)動力學適用于高維、非線性時變和參數(shù)不精確系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)動力學分析問題的步驟是:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,繪制因果關系圖和系統(tǒng)流圖;建立相關的數(shù)學模型;編程建立模擬模型,對模型進行檢驗和調(diào)試;模擬各種政策、措施執(zhí)行效果,并對影響系統(tǒng)發(fā)展的主要因子進行靈敏度分析;通過分析比較提出改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有價值的建議3系統(tǒng)動力學在林業(yè)中的運用系統(tǒng)動力學模型在林業(yè)中目前主要運用在以下幾個方面:區(qū)域林業(yè)發(fā)展動態(tài)與發(fā)展戰(zhàn)略研究2.3,2,科學技術進步貢獻2,樹木生長模擬森林資源動態(tài)變化83,防沙治沙研究21),復合生態(tài)系統(tǒng)研究3等方面70年代,瑞典、芬蘭、挪威3國合作組成“社會和森林”課題研究小組,將3國林業(yè)部門作為一個整體建立了SOs模擬模型,研究當木材資源進一步限制林產(chǎn)工業(yè)增長時所產(chǎn)生的問題系統(tǒng)動力學模型也被用于丹麥紅松林分的研究別.Cmma&Coy用系統(tǒng)動力學模型從國家“戰(zhàn)略”水平的高度,討論新西蘭人工林對供給/需求的交互作用;研究了未來不同需求因素對新西蘭人工林系統(tǒng)的影響,測算了需求預測誤差,分析了各種備選造林和采伐政策的效果政策分析是制定政策的產(chǎn)前活動在政策制定中起著信息、咨詢預測、評價和幫助選擇的作用顧凱平4將中國“森林資源一經(jīng)濟一社會”大反饋系統(tǒng)分為原有林生長量、林齡結(jié)構(gòu)、資源消耗量、資金分配、有林地面積消長、短周期人工林經(jīng)營方案6個子塊,建立了動態(tài)模型,模擬了1975~2030年森林資源變化情況,揭示我艸酒你卻日益加重的根源;通過政策試驗、分析,找到了扭轉(zhuǎn)森林資源惡性中國煤化工出了政策臨界值趙道勝4也對林業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了CNMHG林業(yè)生產(chǎn)發(fā)展戰(zhàn)略目標的幾種政策方案,提出了育林經(jīng)費提取比例、木材價格、纖維板生產(chǎn)能力利用率、刨花板生產(chǎn)能力利用率的適宜值和優(yōu)化方案.袁嘉祖將黃土高原區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)分為林業(yè)種植業(yè)、牧業(yè)、人口、勞動力和資金等5萬方數(shù)系統(tǒng)研究了土地面積糧食、木材產(chǎn)量燃料飼料投資等主要物流通路關系建立了i76林學院學報第20卷黃土高原區(qū)的林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略動態(tài)仿真模型,并利用多目標模糊綜合評審技術對防護型、用材型、薪材型、綜合型4種發(fā)展方案的經(jīng)濟、生態(tài)、社會效益和實施可行性進行了評審,從中評選出了最優(yōu)發(fā)展策略陳爽等科以新疆庫爾勒地區(qū)為例,探索建立了綠洲生態(tài)經(jīng)濟模型,進行了種植業(yè)、人工造林、環(huán)保投資比例結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并就機械人口、外來投資、外調(diào)水量等政策變量給出地區(qū)發(fā)展的7種可能方案王洪斌《建立了某森工系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略仿真模型,討論了在不同發(fā)展戰(zhàn)略及政策下的森林未來趨勢倪成才在大石頭林業(yè)局S.D.模型中首次利用四階延遲模擬林分在齡組范圍內(nèi)動態(tài)變化的過程;此外,他還研究了主伐量調(diào)減時,撫育間伐對木材和促進林分生長的作用及發(fā)展林產(chǎn)工業(yè)和多種經(jīng)營對森林資源的影響趙道勝4在圖強林業(yè)局森林經(jīng)營方案的編制過程中,利用林分結(jié)構(gòu)動態(tài)預測模型,分析了該局火燒后森林資源的恢復情況,并且分析了在不同經(jīng)營措施(跡地更新和荒山連續(xù)10年造林或只進行跡地更新,不進行荒山造林)的情況下,未來森林資源林分結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化情況李先爭等41(1992)分別人口消長、森林資源、木材綜合利用、資金循環(huán)、糧食生產(chǎn)5個子系統(tǒng)研究山區(qū)林業(yè)系統(tǒng),提出了5個方案,并用層次分析法進行了方案優(yōu)化戴小龍等推導出撫育間伐強度對林分生產(chǎn)率影響的 Richards函數(shù)形式,模擬了撫育間伐強度對森林資源總量和結(jié)構(gòu)的影響.李憲松將動態(tài)規(guī)劃原理與SD模型結(jié)合起來根據(jù)各階段材積收獲(經(jīng)濟收益)最大的原則,確定中幼林各次撫育間伐的適宜強度倪成才的在研究大石頭林業(yè)局資源變化時,將同一齡級林分面積劃分為已撫育間伐和可撫育間伐兩個部分,它們之間存在相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程;并且設計了兩個宏函數(shù)來分別表示它們的四階延遲.人類對森林需求的多樣性決定了林業(yè)生產(chǎn)的多樣性,林業(yè)要擺脫目前的資源、生態(tài)危機和經(jīng)濟危困,一方面需要通過分類經(jīng)營,“局部上分而治之,整體上合而為一”,擴大森林資源總量;另一方面需要通過發(fā)展木材加工和綜合利用,林工一體化,提高資源利用率和產(chǎn)品的市場競爭能力目前,將木材加工、多種經(jīng)營與森林資源結(jié)構(gòu)變化相結(jié)合的研究則比較少李宏5建立了東北過伐林區(qū)汪清林業(yè)局模擬仿真系統(tǒng)研究了分類經(jīng)營不同采伐方式擇伐面積比例和擇伐強度等因素對該林業(yè)局森林資源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)動態(tài)的影響由靈敏度分析知,擇伐面積比例對于木材產(chǎn)量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)素質(zhì)指數(shù)的影響都比其它因素大;木材價格對于森工系統(tǒng)利潤總額的影響最大,對于林分總薔積的影響也很大黃鶴羽等2將系統(tǒng)動力學運用于研究科技進步促進資源增長模型模擬了各樹種造林營林投資比例、科技人員年增長幅度、年齡結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)、學歷結(jié)構(gòu)、專業(yè)結(jié)構(gòu)和科研經(jīng)費年增長幅度、森工利稅中科研經(jīng)費提取比例等因素對森林面積、總蓄積量、用材林單位面積蓄積量、木材產(chǎn)量、凈產(chǎn)出的影響結(jié)果表明技術進步對森林資源增長有重要的促進作用,影響科技因素的各要素之間的替代性較小甚至不熊相互替代某種最稀缺的水平往往就代表總體技術水平林業(yè)生產(chǎn)單位科技工作的重點中國煤化工化組裝配套和推廣應用上CNMHG城市森林生態(tài)系統(tǒng)是一個包括人類天文地理復雜的社會經(jīng)濟系統(tǒng)趙道勝建立了城市森林生態(tài)系統(tǒng)模型仿真模型,研究了:(1)城市森林面積的動態(tài)變化;(2)城市森林蓋率的比例動態(tài)變化;(3)城市森林對噪聲,SO2,CO2,C0,NO氣體排放量和大氣中灰塵量的減萬方數(shù)緩程度在此基礎上,確定了公共綠地、專用綠地道路綠化生產(chǎn)綠地、防護綠地的增長速第3期個宏等:系統(tǒng)動力學在林業(yè)中的運用度,促使城市森林能夠有效地降低噪聲和將各種廢氣全部吸收或控制在國家環(huán)保標準控制范圍內(nèi)吳運英(1994將系統(tǒng)動力學運用于農(nóng)用林業(yè)的生長模擬,徐德應等建立了“竹一牛一草”復合生態(tài)系統(tǒng)模型評估在何種經(jīng)濟條件下系統(tǒng)會產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益為了展望未來15年農(nóng)林牧業(yè)的…般發(fā)展趨勢,揭示某些應引起注意的問題,盧琦(3根據(jù)荷澤大田集鎮(zhèn)農(nóng)桐間作系統(tǒng)中樹木和農(nóng)作物的產(chǎn)出動態(tài)以及牲畜產(chǎn)出動態(tài),建立了農(nóng)用林業(yè)系統(tǒng)模式化系統(tǒng)仿真模型和優(yōu)化采伐模型.糧食產(chǎn)量需求增加、動物產(chǎn)品價格或作物價格上漲時,泡桐最優(yōu)采伐期都會縮短此外,系統(tǒng)動力學也運用于防沙治沙和流域氣候環(huán)境研究.李廣毅等21研制了沙區(qū)土地利用及生態(tài)經(jīng)濟型防護林體系的動態(tài)仿真模型,模擬了適合毛烏素沙地各區(qū)的基礎產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)部門結(jié)構(gòu),預測了各業(yè)的發(fā)展趨勢;并對影響各林種生態(tài)、經(jīng)濟效益的因子進行了計量分析,按立地提出了固沙林結(jié)構(gòu)配置類型福岡勝夫用系統(tǒng)動力學模型分析評價了未來(2000年以后)可能發(fā)生的火災,并計量不同狀況的森林和降雨集中程度對下游產(chǎn)生水災的影響大小4存在問題目前,對系統(tǒng)動力學的批評主要集中于它不能提供預測結(jié)果的精度和可靠性,盧琦21認為,給定精確參數(shù)和準確的反饋關系,系統(tǒng)動力學仿真可以達到很高的精度;反之,給出近似的參數(shù),也可以反映系統(tǒng)總的趨勢趙道勝到認為,利用系統(tǒng)動力學研究林業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)往往并不試圖精確地預測未來,而是想估價未來的各種可供備選方案的實施效果模型結(jié)構(gòu)的大小,也是研究者普遍關心的問題趙道勝2)認為,當建模目的要求比較全面、真實地描述真實時,應盡可能精細建模;反之,如果僅為反映系統(tǒng)的行為或長遠發(fā)展時,可以簡化建模過程朱明德5-對于用系統(tǒng)動力學模型研究森林資源系統(tǒng)也持有不同的看法他認為系統(tǒng)動力學模型是典型的確定性數(shù)學模型,只能用于描述動態(tài)系統(tǒng)的確定性最優(yōu)決策、控制模型,不能用于描述、平滑、濾波、預測、數(shù)據(jù)更新決策與控制隨機性的森林資源系統(tǒng);并且認為用濾波模型(如回歸模型、灰色模型、隨機差分方程、 Kalman濾波等模型)研究森林資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)才是有效、科學的5系統(tǒng)動力學的運用展望與發(fā)展趨勢系統(tǒng)動力學只有在與其它模型的支持下才能更好地發(fā)揮作用,如數(shù)理統(tǒng)計方法灰色系統(tǒng)模型、計量經(jīng)濟學模型啊、產(chǎn)業(yè)關聯(lián)分析模型投入產(chǎn)出模型等181,也可以與線性規(guī)劃方法、非線性規(guī)劃、目標規(guī)劃、多目標規(guī)劃相結(jié)合6).8年代以后系統(tǒng)動力學與災變理論、專家系統(tǒng)、最優(yōu)控制技術等領域的交流與融合不斷加中國煤化工系統(tǒng)動力學的模型結(jié)構(gòu)具有不適應環(huán)境變化CNMHG成高級結(jié)構(gòu)的缺點胡玉奎等討論了系統(tǒng)動力學的進化問題,即建立模型的染色體模型有性繁殖,通過選擇獲得適應力較強的個體,達到適應環(huán)境的目的,讓SD模型具有自組織能力從以上分析研究可以看出,系統(tǒng)動力學在制訂林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和中長期規(guī)劃森林資源動預測、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃中都得到了廣泛運用,相信它在社會林業(yè)、林業(yè)氣象、土壤、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)萬方數(shù)西南林學院學報第20卷調(diào)整、森林承載力、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中也將得到廣泛運用1!JayW福雷斯特系統(tǒng)原理[M]王洪斌詳北京:清華大學出版社,1986,20~302顧凱平,曲春寧系統(tǒng)動力學原理(1).林業(yè)部政策研究室,1987[3王其藩系統(tǒng)動力學[M].北京:清華大學出版杜,1987.6-9[4王其藩高級系統(tǒng)動力學M]北京:清華大學出版社,1995.6~9[5:朱明德森林資源動態(tài)監(jiān)測原理與方法一評系統(tǒng)動力學模型[J]黑龍江林業(yè)調(diào)查,1991a.(2):2~66.朱明德森林資源開環(huán)控制與閉環(huán)控制一再評《系統(tǒng)動力學》].黑龍江林業(yè)調(diào)查,1994b、(3):13-18[7.朱明徳、系統(tǒng)動力學模型評析[J]黑龍江林業(yè)調(diào)查,191,(4):20-28]程玉璽,劉涌康中國有計劃商品經(jīng)濟發(fā)展SD模型結(jié)構(gòu)探討[A]王其薯.1986年全國系統(tǒng)動力學年會[C].147[9]胡玉奎,賈玉嶺技術進步促進經(jīng)濟動力學模型[A]王其藩.1986年全國系統(tǒng)動力學年會[C]、9-125[10]趙小敏,沈兵明,吳次芳等系統(tǒng)動力學仿真模型在土地利用總體規(guī)劃中的應用[J.江西農(nóng)業(yè)大學學報,19,18(1):67~721]1秦耀辰,趙秉棟,張俊軍河南省持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學模擬與調(diào)控[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,1997[12]王黎明.區(qū)域可持續(xù)發(fā)展一基于人地關系地域系統(tǒng)的視角[M].北京:中國經(jīng)濟出版社,198.187[13]孟衛(wèi)東,何謙三峽工程四川庫區(qū)移民投資系統(tǒng)動力學模型[J]系統(tǒng)工程理論與實踐,197,(12):4315」齊文虎資源承載力計算的系統(tǒng)動力學模型[門自然資源學報,198,2(1):3-(12):39-4[14]王瑩,劉玉群在機械行業(yè)發(fā)展研究中的SD模型[門系統(tǒng)工程理論與實踐,1997,([16]李久明系統(tǒng)動態(tài)學方法在土地資源承載能力研究中的應用嘗試——以黃淮海平原為例[J]自然資源,1988,(4):13-20[17]楊曉鵬張志良青海省土地承載力的系統(tǒng)動力學研究[門].地理學與國土研究,1992,8(4):16-218]王黎明,重慶地區(qū)土地人口承載力SD模型研究[J資源開發(fā)與保護,197(3):159[19]李相銀農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)模型及其運行機制的仿真研究[D]北京:中國農(nóng)業(yè)科學研究院(碩士論文),[20]王迪云高沙土地區(qū)農(nóng)業(yè)土地資源開發(fā)投資決策模型的研究[J經(jīng)濟地理1995,15(3):85~90[21]高新科農(nóng)業(yè)系統(tǒng)仿真與應用[J農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究,1994,10(3):161-16[2]孫國基系統(tǒng)動力學仿真技術在區(qū)域規(guī)劃決策中的實際應用[打信息與控制1986,(4):8-12[23]朱志明,包煥升海倫縣經(jīng)濟系統(tǒng)的動態(tài)仿真[J系統(tǒng)工程理論與實踐,1985,(4):51~56[24]林業(yè)部科學技術司“八五”國家重點科技攻關林業(yè)項目重大成果選編[M].北京:中國林業(yè)出版杜1997.102[25] 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