Зимницкий П.В.[i]

 

 

Единая модель природы – будущее современного моделирования

Аннотация

Статья посвящена рассмотрению вопросов создания единой модели природы на основе объектно-ориентированного подхода. Обращается внимание на наличие всех необходимых предпосылок для построения такой модели, обосновывается ее актуальность в свете существующих глобальных проблем человечества.

***

Введение

Современный подход к моделированию биосферных процессов

Принципы объектно-ориентированного моделирования

Практическая реализация

Преимущества объектно-ориентированной модели

Трудности реализации

Некоторые перспективы

Заключение

Литература

***

Введение

Изучение природы – одна из основных задач науки. Моделирование как способ познания приобретает особую важность в последнее время. Это обусловлено необходимостью объяснения наблюдаемого изменения климата, а так же прогнозирования состояния биосферы. Современное моделирование природных процессов носит нецентрализованный характер и направлено на решение частных задач.

Необходимость моделирования биосферы в целом отмечалась еще в 1972 году членом-корреспондентом АН СССР В.А.Ковдой после завершения Стокгольмской конференции по охране окружающей среды, однако реализация этой идеи осуществляется крайне медленно. Создание первой специализированной организации по решению рассматриваемой задачи было завершено лишь в феврале 2000 года и такой организацией стало региональное отделение “Проблемы изучения биосферы” РАЕН. В 2001 году отделением был представлен проект международной программы “Динамическая модель биосферы” и подготовлен системный план различных этапов его выполнения.

Однако окончательная концепция построения модели биосферы до сих пор остается неразработанной. В данной статье излагается возможный вариант построения единой модели природы (т.е. органического и неорганического мира, частью которого является биосфера) с использованием объектно-ориентированного подхода.

Современный подход к моделированию биосферных процессов

В настоящее время отсутствует единая общепринятая модель биосферы, поэтому моделируются отдельные компоненты экосистем. При таком подходе исследования направлены на определение динамики компонентов биосферы во времени.

Рис. 1. Направленность современных исследований

Динамика процесса определяется через функцию от множества параметров системы. При этом учитываются лишь основные параметры, такие как температура, а влияние на результат большей части множества взаимодействующих между собой компонентов системы не учитывается. Данный подход можно назвать функциональным (направленным на определение функций). Добавление в модель нового параметра ведет к необходимости заново определять функцию, при этом линейный рост числа учитываемых параметров ведет к экспоненциальному росту вычислительной сложности системы.

Ситуацию можно сравнить с положением дел в средневековой астрономии, когда для расчета координат светил добавляли все новые коэффициенты. Как известно решением проблемы явилось создание Коперником гелиоцентрической модели мира. Приведенный пример показывает невозможность правильного определения параметров без моделирования всей системы в целом.

Принципы объектно-ориентированного моделирования

Объектно-ориентированный подход к моделированию широко используется в компьютерных технологиях [Booch, 1993]. При таком подходе моделируемые системы рассматриваются как совокупность объектов. Примерами объектов в предлагаемой модели являются организмы, популяции, виды, биоценозы и т.д. Каждый объект состоит из множества других объектов, набора характеристик и реакций. Примером характеристики популяции может служить численность составляющих ее организмов, а примером реакции – миграция.

 

Рис. 2. Структура объектно-ориентированной модели

 

Набор характеристик и реакций объекта состоит из характеристик и реакций объектов высших иерархий, в которые он входит (наследование), и своих собственных (свойство эмерджентности, т.е. несводимости целого к сумме составляющих его частей).

Управление объектно-ориентированными моделями осуществляется по событиям. Событие представляет собой некоторое действие, которое активизирует реакцию какого-либо объекта. В качестве примера события можно привести течение времени или изменение средней температуры атмосферы.

Рассмотрим применение объектно-ориентированной модели для определения балансов веществ. Вещество в данном случае не обладает свойством эмерджентности, поэтому баланс вещества определяется сложением количеств этого вещества во входящих объектах.

Рис. 3. Определение балансов веществ

 

С точки зрения решения представленной задачи объектно-ориентированная модель представляет собой распределенную базу данных. Определение общего баланса вещества cтановится стандартным запросом на выборку данных.

Подобное представление модели удобно для описания важных механизмов, обеспечивающих масштабируемость и устойчивость объектно-ориентированных моделей.

Неизвестные характеристики объектов нижнего уровня рассчитываются функцией (как при современном подходе к моделированию), которую по мере накопления знаний можно будет разделять на слагаемые и, соответственно, выделять новые объекты. Это обеспечивает масштабируемость модели.

Устойчивость обеспечивается статистическим методом восстановления ранее известного слагаемого, если линия связи будет нарушена. Для этого достаточно включить в систему возможность хранения информации за некоторый промежуток времени. Применение статистического метода восстановления данных обосновывается свойством инерции систем.

Практическая реализация

Прототипы объектно-ориентированной модели природы уже существуют. В качестве примера можно привести современные компьютерные игры-стратегии («Цивилизация», «Real War» и др.). Несмотря на примитивность компьютерных игр по сравнению с представленной в них действительностью, данная аналогия вполне уместна, т.к. в прошлом обыкновенная игра в карты послужила основой для создания современной теории игр, широко используемой во многих отраслях человеческой деятельности.

Покажем возможность практической реализации объектно-ориентированной единой модели природы.

Базовую структуру иерархии объектов, характеристики и реакции каждого уровня иерархии можно определить, основываясь на учении В.И.Вернадского о биосфере [Вернадский, 1926].

Концепция модели является иерархической, поэтому аппаратную часть могут составить уже существующие распределенные компьютерные сети. В таком случае разработку каждого объекта можно поручить определенной ведущей организации (аналогично доменам в Интернете), под управлением которой и будет существовать объект в дальнейшем. Взаимодействие между объектами обеспечивается компьютерными линиями связи.

Организационной работой по созданию модели биосферы в настоящее время занимается Региональное отделение “Проблемы изучения биосферы” РАЕН. Необходимое для создания работоспособной модели время можно оценить в 10-20 лет (по аналогии со сроками создания всемирной компьютерной сети Интернет).

Преимущества объектно-ориентированной модели

1. Универсальность. Объектно-ориентированный подход позволяет моделировать системы разного уровня.

2. Масштабируемость. Определяется иерархической структурой модели и закладывает основу для ее быстрого развития.

3. Гибкость. Придается наследованием характеристик и реакций, что позволяет быстро вносить изменения.

4. Устойчивость. Основана на восстановлении нарушенных связей статистическим методом.

5. Беспристрастность. Характеристики моделируемой системы можно определять автоматически, что исключает влияние на них человеческого фактора.

Трудности реализации

Необходимость систематизации всех накопленных знаний. В настоящее время происходит несистематизированный рост научного знания и задача систематизации существует независимо от моделирования.

Недостаток исходных данных. Для построения базовой структуры модели накопленных знаний достаточно, в дальнейшем развитие модели и сбор необходимых данных будут идти синхронно.

Вычислительная сложность. Модель будет развиваться параллельно совершенствованию компьютеров, увеличению их численности и развитию сетей. Принципиальную возможность создания компактных информационных систем доказывает существование молекулы ДНК.

Некоторые перспективы

На достаточно развитой стадии моделирования можно будет представить время как объект, обладающий своими характеристиками и реакциями, что позволит не только моделировать будущее, но и реконструировать прошлое.

Создание единой модели природы даст возможность просчитывать результаты человеческой деятельности, что позволит изменять происходящие в природе процессы точечными воздействиями. Это упростит поддержание стабильности биосферы.

Заключение

В настоящей статье предпринята попытка изложить общие идеи построения единой модели природы. Продолжением затронутой темы станет рассмотрение доказательств правильности выбранной концепции, изложение проекта практической реализации, обзор областей применения модели и открывающихся перспектив.      

Литература

Вернадский В.И. “Биосфера”. - Л.: Науч. Хим.-тех. Изд-во, 1926. - 147 с.

Booch G. “Object-Oriented Analysis and Design with Applications”, 2nd ed. Redwood City, California, Addison-Wesley Publishing Company, 1993.



[i] Зимницкий Павел Валерьевич,  Лаборатория лесной экологии СПб НИИ Лесного хозяйства,  zimnitsky@mail.ru