Функционально-структурный подход и континуальное моделирование в исследовании техногенеза

Техногенез, как часть антропогенеза, давно уже стал определяющим фактором в развитии экосистем и биосистем. Исследования динамических процессов, связанных с непрерывно действующими техногенными нагрузками на биосферу и характеризующимися широким спектром постоянно меняющихся воздействий, действующих как на компоненты эко- и биосистем, так и на сами системы, требует особого подхода при моделировании. На наш взгляд, с точки зрения системного анализа, они имеют наилучшую формализацию в виде интегральных моделей. Анализ наиболее сложных динамических систем, к которым относятся техносфера (как некий эко лого-антропогенный комплекс) позволяет выявить закономерности развития техногенеза, его влияние на окружающую среду, а также прогнозировать его последствия.

Основой такого анализа должен быть функционально-структурный подход, который включает в себя понятие про непрерывные динамические связи между частями системы. В качестве частей (подсистем) принимается функционально-структурная организация системы, соответствующая конкретному уровню рассмотрения. Такой подход следует из эволюционного анализа и синтеза сложных систем. Он базируется на теории и методологии моделирования как основы анализа сложных развивающихся систем, которые были разработаны в трудах академика В.М. Глушкова [1].

Основываясь на его положениях можно сформировать стратегию и основные фазы эволюционного анализа сложных систем (в частности антропогенно -техногенных экосистем), то есть рассмотреть опосредованно обратную связь между функцией и структурой системы. Выделение основных системных процессов -преобразования (переработки), сохранения (задержки), транспорта (обмена) вещества, энергии и информации, а также выявление возможности управления соответствующими процессами позволяет проводить целостный анализ техногенных систем и их влияние на экосистемы в целом и биосферу.

Возникновение класса интегрально - функциональных моделей традиционно связано с интегральными уравнениями вольтеровского типа, что обуслов- лено необходимостью самовосстановления и воспроизведения внешнего продукта в эволюционирующих системах, а также необходимостью описания различных свойств этих систем. То есть возникает практическая необходимость построения модели, в рамках которой было бы возможно получить описание каждого из свойств в отдельности, но вне рамок которой невозможно их объяснить и понять в совокупности. Такие модели позволяют дать более точное описание системы с помощью негладких и даже разрывных функций.

В то же время предложенная В.М. Глушковым схема построения континуальных моделей позволяет рассматривать вопрос выходных структур. В рамках биосферы эти структуры можно рассматривать как внешние продукты (функции) с определением «внешних» или «выходных» структур.

Основные свойства эволюционирующих систем (как природных, так и искусственных) могут быть сформулированы следующим образом. В момент начала развития необходимо существование первичных ресурсов. В динамическую систему должны поступать вещество, энергия и информация. В системе должны существовать подсистемы воспроизведения и усовершенствования самой этой подсистемы. Необходимо учитывать характер условий внешней среды, при взаимодействии с которыми система создаёт и использует продукты, а также выделяет устаревшие продукты; должны использоваться некоторые балансовые соотношения между продуктами, поступающими в систему (субстратами) и продуктами динамической системы; функциональная связь между ресурсами, использующимися на внутреннее развитие и на выполнение внешних функций, между скоростью воспроизведения ресурсов, интенсивностью их использования и результатами функционирования системы; должны выполняться условия совместного и конкурентного поведения, обеспечивающие неравновесное состояние системы (переход из одного квазиустойчивого состояния в другое). Выделяют позитивные и побочные негативные изменения, изношенность механизмов самовоспроизведения и воспроизведения продуктов эволюционирующей системы. Используя такую методику построения развивающихся систем и приняв множество n-продуктов как континуум, в общем виде модель эко-и биосистем можно представить в виде систем нелинейных интегральных уравнений смешанного типа[1]. Для решения таких систем нелинейных интегральных уравнений можно использовать ряд методов [3,4], но одним из наиболее используемых является комбинированный метод [3], состоящий из проекционно-итеративного метода и метода шагов. Преимущества использования континуальных моделей при исследовании экологических систем, в частности, техногенеза, состоит в следующем: высокая степень изоморфности; возможность связи микро- и макромоделей системы с помощью континуума продуктов и связи ресурсов подсистем; возможности замыкания системы критерием эффективности функционирования (перехода к решению задач оптимизации); использование при моделировании моментов предыстории, что дает возможность использовать модель для прогнозирования со- стояния моделируемой системы. Данный подход был использован авторами при моделировании влияния пунктов захоронения отходов на окружающую среду в месте их расположения[2].