生态平衡建模实验..docVIP

生态平衡建模实验 1、目标 通过此实验了解系统动力学的仿真方法，学会用所学的建模理论来对实际问题进行建模，并对实际问题进行分析。对此生态平衡系统进行仿真实验，改变不同的控制参数，分析实验的结果，得出系统保持生态平衡的条件，为决策者决策提供理论分析基础。 原理 通过此次实验了解系统动力学的仿真方法，学会用所学的建模理论来对实际问题进行建模，并对实际问题进行分析。对此生态平衡系统进行仿真实验，改变不同的控制参数，分析实验的结果，得出系统保持生态平衡的条件，为决策者决策提供理论分析基础。系统动力学(System Dynamics)是美国麻省理工学院J.W 福雷斯特(JayW Forrester)教授创立的一门新兴学科。它按照自身独特的方法论建立系统的动态模型，并借助于计算机进行仿真，以处理行为随时间变化的系统的问题。系统动力学首先强调系统性的观点，以及联系、发展、运动的观点，是研究复杂系统，诸如:社会、经济、环境、人口、生态平衡、产业发展等的有效工具。系统动力学的研究对象主要是社会经济系统。社会经济系统的范围十分广泛，凡是涉及到人类的社会活动和经济活动的系统都属于社会系统。诸如本文要研究的人口系统、资源系统、环境系统、经济系统、科技系统、能源系统，都属于社会经济系统。系统动力学的基础是通过实验方法认识系统的行为，为管理决策者提供决策的依据。系统动力学仿真的基本步骤是： （1）明确建模目的 一般来说，系统动力学对社会系统进行仿真实验的主要目的是认识和预测系 统的结构和设计最佳参数，为制定合理的政策提供依据。这一步的工作包括观察系统、专家咨询、收集数据资料等，在涉及具体对象系统时，应根据其要求，仿真目的有所侧重。 （2）确定系统边界 系统动力学是将研究对象视为一个系统来处理的。系统是一个相对的概念，相对于所研究问题的实质和建模的目的而言。一旦所要研究的问题的实质和建模的目的已经确定，系统也就确定了，其边界应该是清晰的和唯一的。确定了系统边界之后，才能确定系统的内生变量和外生变量。内生变量是由系统内部反馈结构决定的变量，外生变量是由影响环境因素确定的变量。系统动力学认为系统的行为是基于系统内部的种种因素而产生的，并假定系统的外部因素不给系统的行为以本质的影响，也不受系统内部因素的控制。 （3）因果关系分析 通过因果关系分析，要明确系统内部各要素之间的因果关系，并用表示因果关系的反馈回路来描述。所谓反馈是指：系统中某要素的增加，使受它影响的系统其他要素也发生变化（增加或者减少）。反馈环分为正反馈和负反馈，而正反馈环使系统表现为增长的行为，负反馈使系统表现为收敛的行为。系统动力学认为反馈环是构造系统的第一层次，其多少是系统复杂程度的标志。观察实际系统获得的信息首先用于这一层次。任意两个系统要素从因果关系来看必然是正因果关系、负因果关系或无因果关系。由于决策是在一个或几个反馈回路中进行，而且由于各种回路的耦合，使系统的行为更加复杂化。 (4) 建立系统动力学模型 进行因果关系分析属于系统动力学仿真的定性分析，要对系统进行定量分析还必须借助流图与构造方程式建立系统模型。所谓建模就是要确定各反馈环中的流位和流率。流位是系统的状态变量，它的变化可用来描述系统的动态特征：而流率是流位的变化速率，它控制着流位，流率变量是一个决策函数（包括人的决策与机理决策的行为）。当确定了流位和流率变化之后，就可以得到流图与构造方程式。 (5) 运行模型 采用系统动力学仿真语言，将上一阶段建立的系统模型转换成系统仿真模型，并在计算机上模拟运行，得出结果。 (6) 结果分析 通过对结果的分析，不仅可发现系统的构造错误和缺陷，而且还可以找出错误和缺陷的原因。根据结果分析情况，如果需要，就对模型进行修正，然后再做仿真试验，直至得到满意的结果为止。 理论分析 生活在同一环境中的各类生物之间，进行着残酷的生存竞争，一类动物靠捕食另一类动物为生，而另一种动物则靠又多又快地繁衍后代和逃逸等手段求生存求发展，如此等等。设一封闭的海岛上，有两个种群，狐狸和啮齿动物。狐狸吃啮齿动物，啮齿动物吃草。青草是如此之丰富，以至啮齿动物无需为无食而发愁，啮齿动物饱食后大量繁殖。啮齿动物数量一多，狐狸容易得食，狐狸也增加。当狐狸数过多而吃掉大量啮齿动物之后，狐狸进入饥饿状态而造成总数下降，这时啮齿动物们又相对安全一些。于是，啮齿动物总数回升。如此，狐狸和啮齿动物两种动物之数额相关地交替增减，无休止循环，出现生态动态平衡。 本次实验不考虑种内竞争，只考虑物种间的斗争。 建模过程 系统因果关系分析 本文中作以下假设： 狐狸只吃成年啮齿动物，故幼年啮齿动物的死亡只与成年啮齿动物的死亡有关； 考虑啮齿动物以种群生活，不考虑单独家庭，则幼年啮齿动物的死亡只与种群中成年啮齿动物单位时间的死亡量