系统动力学在林业中的运用

第20卷第3期Vol. 20 No. 3000年9月JOURNAL OF SOUIHWEST FORESIRY COLFGE系统动力学在林业中的运用李宏,唐守正(中国林业科学研究院,北泉10091)摘要:对系统动力学的发展过程、特点和在林业科学中的运用进行了综述,并指出了应用过程中存在的问题和发展趋势关键词:系统动力学;森林资源;反馈环中图分类号:019文献标识码:A文章编号:10-717(x00-0174-061概述系统动力学( System Dymamics缩写为S.D),也称为系统动态学,是由美国麻省理工学院的福雷斯特教授50年代创立的,它是以反馈控制理论为基础、数字计算仿真技术为手段、研究复杂社会经济大系统的方法其理论基础是20世纪40年代维纳教授创立的控制论系统动力学产生初期,主要运用于工业生产过程中库存的波动、劳动力的不稳定以及市场股票下跌等问题,因此被称为“工业动力学”.70年代初,系统动力学模型被用于研究世界模型、美国经济模型,获得了空前的成功解开了一些经济学中长期存在的疑团,如“长波”现象形成的原因21.目前,系统动力学广泛运用于研究城市经济发展、企业经营管理宏观经济规划、区域经济、科技管理、能源规划医学,甚至于工程系统等许多领域我国于80年代初引进系统动力学后,不仅在理论上进行了研究1-,而且从国家、城市、地区、其它专题层次上,对社会经济系统分析(宏观、区域、县乡)8-10、发展战略和经济社会发展总体规划B、城市生态系统研究生产管理(设备投资与折旧、工业生产)4、技术进步促进经济发展作用、资源配置与土地承载能力35-18、农林牧副渔动态调节与控制19-2等方面都进行了广泛研究与运用80年代以前,DOS环境下系统动力学的仿真软件主要有 DANAMOⅡ, DANAMOⅢDANAMo IYL4. DANAMOⅢ具备阵列式描述功能, DANAMOⅣ具有处理特高阶数模型能力80年代中后期仿真软件主要有PD-PLUs( Professional Dynam-PLUS), DYSMAP等系列年代出现了可在 WINDOWS环境下运行的仿真软件Ⅴ ensim和 MODELMAKER3.02.MODE收稿日期:2000-09-06M中国煤化工蒿金项目:国家自然科学基金倾斜项目“东北过伐林区可目“森林资源监测指标体系和先进技术的引进"资助CNMHG作者简介:李宏(1965-),男,江西于都人,讲师博士林贤管理恸工怍中国科学院院士第3期李宏等:系统动力学在林业中的运用MAKER3.02是由 Cherwell Scientific公司开发的优秀的系统动力软件,它将画系统流图和编程这两步繁杂的工作融为一体,编程过程可视性很强;不仅变量、参数可以直接用中文加以注释,而且可以通过文本框在图中任意位置加入文本材料或背景知识,对软件/程序加以说明孙国基等2开发和研制了EXSL-仿真软件能够提供比 DYNAMO语言更精确的积分方法和更多的函数此外朱志明等2用Bic语言、李广毅等叫用C语言编写了仿真软件2系统动力学的特点系统动力学的研究对象主要是非线性、高层次、多变量、多重反馈复杂时变的开放系统如社会、经济、生物和生物系统,其研究目的是:(1)通过分析系统内的因果反馈关系和众多因素对系统目标的影响,从中筛选出影响系统发展的主导因子;(2)分析预测不同经营策略可能带来的资源、环境、生态环境影响,为经营者和决策者提供决策依据系统动力学的特点是:对数据的依赖性较小;采取定性、定量相结合的结构——功能模拟方法,强调系统结构分析;“积木型”的模型结构,操作灵活,可塑性很强;既可以对未来进行预测,也可以回顾系统历史行为;比较容易反映非线性和延期反应等用数学形式难以表达的过程系统动力学适用于高维、非线性时变和参数不精确系统的模拟系统动力学分析问题的步骤是:系统结构分析,绘制因果关系图和系统流图;建立相关的数学模型;编程建立模拟模型,对模型进行检验和调试;模拟各种政策、措施执行效果,并对影响系统发展的主要因子进行灵敏度分析;通过分析比较提出改进系统结构的有价值的建议3系统动力学在林业中的运用系统动力学模型在林业中目前主要运用在以下几个方面:区域林业发展动态与发展战略研究2.3,2,科学技术进步贡献2,树木生长模拟森林资源动态变化83,防沙治沙研究21),复合生态系统研究3等方面70年代,瑞典、芬兰、挪威3国合作组成“社会和森林”课题研究小组,将3国林业部门作为一个整体建立了SOs模拟模型,研究当木材资源进一步限制林产工业增长时所产生的问题系统动力学模型也被用于丹麦红松林分的研究别.Cmma&Coy用系统动力学模型从国家“战略”水平的高度,讨论新西兰人工林对供给/需求的交互作用;研究了未来不同需求因素对新西兰人工林系统的影响,测算了需求预测误差,分析了各种备选造林和采伐政策的效果政策分析是制定政策的产前活动在政策制定中起着信息、咨询预测、评价和帮助选择的作用顾凯平4将中国“森林资源一经济一社会”大反馈系统分为原有林生长量、林龄结构、资源消耗量、资金分配、有林地面积消长、短周期人工林经营方案6个子块,建立了动态模型,模拟了1975~2030年森林资源变化情况,揭示我艹酒你却日益加重的根源;通过政策试验、分析,找到了扭转森林资源恶性中国煤化工出了政策临界值赵道胜4也对林业生产系统的结构进行了CNMHG林业生产发展战略目标的几种政策方案,提出了育林经费提取比例、木材价格、纤维板生产能力利用率、刨花板生产能力利用率的适宜值和优化方案.袁嘉祖将黄土高原区森林生态系统分为林业种植业、牧业、人口、劳动力和资金等5万方数系统研究了土地面积粮食、木材产量燃料饲料投资等主要物流通路关系建立了i76林学院学报第20卷黄土高原区的林业发展战略动态仿真模型,并利用多目标模糊综合评审技术对防护型、用材型、薪材型、综合型4种发展方案的经济、生态、社会效益和实施可行性进行了评审,从中评选出了最优发展策略陈爽等科以新疆库尔勒地区为例,探索建立了绿洲生态经济模型,进行了种植业、人工造林、环保投资比例结构等系统结构优化,并就机械人口、外来投资、外调水量等政策变量给出地区发展的7种可能方案王洪斌《建立了某森工系统发展战略仿真模型,讨论了在不同发展战略及政策下的森林未来趋势倪成才在大石头林业局S.D.模型中首次利用四阶延迟模拟林分在龄组范围内动态变化的过程;此外,他还研究了主伐量调减时,抚育间伐对木材和促进林分生长的作用及发展林产工业和多种经营对森林资源的影响赵道胜4在图强林业局森林经营方案的编制过程中,利用林分结构动态预测模型,分析了该局火烧后森林资源的恢复情况,并且分析了在不同经营措施(迹地更新和荒山连续10年造林或只进行迹地更新,不进行荒山造林)的情况下,未来森林资源林分结构的动态变化情况李先争等41(1992)分别人口消长、森林资源、木材综合利用、资金循环、粮食生产5个子系统研究山区林业系统,提出了5个方案,并用层次分析法进行了方案优化戴小龙等推导出抚育间伐强度对林分生产率影响的 Richards函数形式,模拟了抚育间伐强度对森林资源总量和结构的影响.李宪松将动态规划原理与SD模型结合起来根据各阶段材积收获(经济收益)最大的原则,确定中幼林各次抚育间伐的适宜强度倪成才的在研究大石头林业局资源变化时,将同一龄级林分面积划分为已抚育间伐和可抚育间伐两个部分,它们之间存在相互转化的动态过程;并且设计了两个宏函数来分别表示它们的四阶延迟.人类对森林需求的多样性决定了林业生产的多样性,林业要摆脱目前的资源、生态危机和经济危困,一方面需要通过分类经营,“局部上分而治之,整体上合而为一”,扩大森林资源总量;另一方面需要通过发展木材加工和综合利用,林工一体化,提高资源利用率和产品的市场竞争能力目前,将木材加工、多种经营与森林资源结构变化相结合的研究则比较少李宏5建立了东北过伐林区汪清林业局模拟仿真系统研究了分类经营不同采伐方式择伐面积比例和择伐强度等因素对该林业局森林资源和产业结构动态的影响由灵敏度分析知,择伐面积比例对于木材产量、产业结构素质指数的影响都比其它因素大;木材价格对于森工系统利润总额的影响最大,对于林分总蔷积的影响也很大黄鹤羽等2将系统动力学运用于研究科技进步促进资源增长模型模拟了各树种造林营林投资比例、科技人员年增长幅度、年龄结构、职称结构、学历结构、专业结构和科研经费年增长幅度、森工利税中科研经费提取比例等因素对森林面积、总蓄积量、用材林单位面积蓄积量、木材产量、净产出的影响结果表明技术进步对森林资源增长有重要的促进作用,影响科技因素的各要素之间的替代性较小甚至不熊相互替代某种最稀缺的水平往往就代表总体技术水平林业生产单位科技工作的重点中国煤化工化组装配套和推广应用上CNMHG城市森林生态系统是一个包括人类天文地理复杂的社会经济系统赵道胜建立了城市森林生态系统模型仿真模型,研究了:(1)城市森林面积的动态变化;(2)城市森林盖率的比例动态变化;(3)城市森林对噪声,SO2,CO2,C0,NO气体排放量和大气中灰尘量的减万方数缓程度在此基础上,确定了公共绿地、专用绿地道路绿化生产绿地、防护绿地的增长速第3期个宏等:系统动力学在林业中的运用度,促使城市森林能够有效地降低噪声和将各种废气全部吸收或控制在国家环保标准控制范围内吴运英(1994将系统动力学运用于农用林业的生长模拟,徐德应等建立了“竹一牛一草”复合生态系统模型评估在何种经济条件下系统会产生较高的经济效益为了展望未来15年农林牧业的…般发展趋势,揭示某些应引起注意的问题,卢琦(3根据荷泽大田集镇农桐间作系统中树木和农作物的产出动态以及牲畜产出动态,建立了农用林业系统模式化系统仿真模型和优化采伐模型.粮食产量需求增加、动物产品价格或作物价格上涨时,泡桐最优采伐期都会缩短此外,系统动力学也运用于防沙治沙和流域气候环境研究.李广毅等21研制了沙区土地利用及生态经济型防护林体系的动态仿真模型,模拟了适合毛乌素沙地各区的基础产业结构及产业部门结构,预测了各业的发展趋势;并对影响各林种生态、经济效益的因子进行了计量分析,按立地提出了固沙林结构配置类型福冈胜夫用系统动力学模型分析评价了未来(2000年以后)可能发生的火灾,并计量不同状况的森林和降雨集中程度对下游产生水灾的影响大小4存在问题目前,对系统动力学的批评主要集中于它不能提供预测结果的精度和可靠性,卢琦21认为,给定精确参数和准确的反馈关系,系统动力学仿真可以达到很高的精度;反之,给出近似的参数,也可以反映系统总的趋势赵道胜到认为,利用系统动力学研究林业生产系统往往并不试图精确地预测未来,而是想估价未来的各种可供备选方案的实施效果模型结构的大小,也是研究者普遍关心的问题赵道胜2)认为,当建模目的要求比较全面、真实地描述真实时,应尽可能精细建模;反之,如果仅为反映系统的行为或长远发展时,可以简化建模过程朱明德5-对于用系统动力学模型研究森林资源系统也持有不同的看法他认为系统动力学模型是典型的确定性数学模型,只能用于描述动态系统的确定性最优决策、控制模型,不能用于描述、平滑、滤波、预测、数据更新决策与控制随机性的森林资源系统;并且认为用滤波模型(如回归模型、灰色模型、随机差分方程、 Kalman滤波等模型)研究森林资源动态监测系统才是有效、科学的5系统动力学的运用展望与发展趋势系统动力学只有在与其它模型的支持下才能更好地发挥作用,如数理统计方法灰色系统模型、计量经济学模型啊、产业关联分析模型投入产出模型等181,也可以与线性规划方法、非线性规划、目标规划、多目标规划相结合6).8年代以后系统动力学与灾变理论、专家系统、最优控制技术等领域的交流与融合不断加中国煤化工系统动力学的模型结构具有不适应环境变化CNMHG成高级结构的缺点胡玉奎等讨论了系统动力学的进化问题,即建立模型的染色体模型有性繁殖,通过选择获得适应力较强的个体,达到适应环境的目的,让SD模型具有自组织能力从以上分析研究可以看出,系统动力学在制订林业发展战略和中长期规划森林资源动预测、区域发展规划中都得到了广泛运用,相信它在社会林业、林业气象、土壤、产业结构万方数西南林学院学报第20卷调整、森林承载力、区域可持续发展中也将得到广泛运用1!JayW福雷斯特系统原理[M]王洪斌详北京:清华大学出版社,1986,20~302顾凯平,曲春宁系统动力学原理(1).林业部政策研究室,1987[3王其藩系统动力学[M].北京:清华大学出版杜,1987.6-9[4王其藩高级系统动力学M]北京:清华大学出版社,1995.6~9[5:朱明德森林资源动态监测原理与方法一评系统动力学模型[J]黑龙江林业调查,1991a.(2):2~66.朱明德森林资源开环控制与闭环控制一再评《系统动力学》].黑龙江林业调查,1994b、(3):13-18[7.朱明徳、系统动力学模型评析[J]黑龙江林业调查,191,(4):20-28]程玉玺,刘涌康中国有计划商品经济发展SD模型结构探讨[A]王其薯.1986年全国系统动力学年会[C].147[9]胡玉奎,贾玉岭技术进步促进经济动力学模型[A]王其藩.1986年全国系统动力学年会[C]、9-125[10]赵小敏,沈兵明,吴次芳等系统动力学仿真模型在土地利用总体规划中的应用[J.江西农业大学学报,19,18(1):67~721]1秦耀辰,赵秉栋,张俊军河南省持续发展系统动力学模拟与调控[J].系统工程理论与实践,1997[12]王黎明.区域可持续发展一基于人地关系地域系统的视角[M].北京:中国经济出版社,198.187[13]孟卫东,何谦三峡工程四川库区移民投资系统动力学模型[J]系统工程理论与实践,197,(12):4315」齐文虎资源承载力计算的系统动力学模型[门自然资源学报,198,2(1):3-(12):39-4[14]王莹,刘玉群在机械行业发展研究中的SD模型[门系统工程理论与实践,1997,([16]李久明系统动态学方法在土地资源承载能力研究中的应用尝试——以黄淮海平原为例[J]自然资源,1988,(4):13-20[17]杨晓鹏张志良青海省土地承载力的系统动力学研究[门].地理学与国土研究,1992,8(4):16-218]王黎明,重庆地区土地人口承载力SD模型研究[J资源开发与保护,197(3):159[19]李相银农村产业结构模型及其运行机制的仿真研究[D]北京:中国农业科学研究院(硕士论文),[20]王迪云高沙土地区农业土地资源开发投资决策模型的研究[J经济地理1995,15(3):85~90[21]高新科农业系统仿真与应用[J农业系统科学与综合研究,1994,10(3):161-16[2]孙国基系统动力学仿真技术在区域规划决策中的实际应用[打信息与控制1986,(4):8-12[23]朱志明,包焕升海伦县经济系统的动态仿真[J系统工程理论与实践,1985,(4):51~56[24]林业部科学技术司“八五”国家重点科技攻关林业项目重大成果选编[M].北京:中国林业出版杜1997.102[25] 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