Обзор современных программных комплексов реализующих СППР

Идентификация и оценка последствий  различных стратегий управления, направленных на устойчивое лесопользование, невозможны без применения современных информационных технологий, в частности без разработки компьютерных систем поддержки принятия решений (СПР, или DSS – decision support systems). Такие системы позволят:

1. учитывать функции, которые потенциально способны выполнять лесные экосистемы на конкретных территориях;
2. оценивать современное состояние лесных экосистем и функции, которые они выполняют в настоящее время;
3. оценивать влияние современного управления лесами на такие «экосистемные услуги», как формирование и защита почв, формирование качества и количества воды, формирование циклов элементов питания, создание местообитаний для растений и животных;
4. оценивать выбор той или иной стратегии лесопользования с учетом ожиданий собственника лесов;
5. предлагать альтернативные пути лесопользования. 

В лесном хозяйстве первые СПР были разработаны для решения задач планирования лесозаготовок (Forest Management Planning), т.е. для оптимизации динамики получения прибыли от продажи древесной продукции с лесного участка в течение заданного периода времени. В первых таких системах экологические критерии в управлении лесами в расчет не принимались. Возможные сценарии ведения лесного хозяйства зависели от породного состава и возраста древостоя, существующих инструкций и правил лесопользования, и определялись с учетом интересов пользователя – собственника леса. К таким системам планирования лесного хозяйства относятся, в частности, MELA в Финляндии (Siitonen M., 2001), MONTE в Испании (Pukkala T., 2003).

2.1 СПР для планирования лесного хозяйства MONTE

Цель лесного планирования[2] - выявление оптимального пути использования лесных ресурсов для максимизации прибыли. MONTE содержит подсистемы: 1) управления данными, 2) моделирования роста древостоя по выделам, 3) оптимизации, 4) визуализации выделов и лесного ландшафта. MONTE полностью адаптирована для лесов Каталонии (Испания).

Подсистема управления данными. Система использует данные лесной таксации (инвентаризации лесов), которые могут быть переданы в MONTE из другой системы (например, Excel или Access). Предполагается, что лес разделен на выделы (forest compartments или stands), либо на более крупные блоки, которые подразделяются на выделы. Выделы однородны по типам условий местопроизрастания и бонитету, видовому составу, возрасту и полноте древостоя. Выдел – единица планирования, которая не может быть разделена на более мелкие части. Для составления лесохозяйственного плана используется многоцелевой количественный подход. Первый шаг – симуляция (моделирование) альтернативных режимов (порядка лесохозяйственных операций) для каждого выдела. Второй шаг – оптимизация, комбинирующая результаты отдельных симуляций с целями управления лесом.

Подсистема моделирования. Моделирование различных режимов (альтернатив) ведения хозяйства для каждого выдела базируется на инструкциях по ведению хозяйства и на моделях индивидуального роста и выживания деревьев. Пользователь по желанию может включить в расчеты только часть анализируемой территории. Планирование может быть разделено на 1-3 подпериода, каждый из которых длится от двух до двадцати лет. После того, как параметры моделирования заданы, MONTE для каждого выдела автоматически составляет «лесохозяйственный план» - рассчитывает порядок проведения лесохозяйственных операций в соответствии с инструкциями, которые также могут быть скорректированы пользователем. Так, например, если древостой одновозрастный, то рассчитываются рубки прореживания для поддержания определенной полноты древостоя, а также рубки главного пользования, зависящие от возраста древостоя. Если древостой разновозрастный, то назначаются выборочные рубки в зависимости от общей площади поперечного сечения древостоя, а также назначаются операции прореживания для деревьев различных размерных классов. Момент времени проведения операций может быть различным. Пользователь может управлять как временем, так и последовательностью проведения операций. В результате работы данного блока для каждого выдела моделируются различные комбинации рубок и посадок деревьев, и для всей территории получается достаточно большое число различных «продукционных схем».

Подсистема оптимизации. В процессе оптимизации создается «плановая модель», которая решается с использованием оптимизационных количественных методов (Pukkala T., 2002). Моделирование альтернативных режимов создает «пространство решений», из которого в процессе оптимизации выбирается лучшая комбинация лесохозяйственных воздействий для каждого выдела. Оптимизация начинается с выбора пользователем целевых переменных из списка. Изначально MONTE предполагает, что все цели одинаково важны. Позже, в интерактивном режиме, пользователь может назначить различные веса различным целям. Функция «субполезности» рассчитывается для каждой цели на основе определения минимальных, заданных и максимальных значений целевых переменных и их приоритетов. На основе весов и функций субполезности рассчитывается функция полезности, которая максимизируется с помощью различных эвристических алгоритмов. Задача этих алгоритмов – найти такую комбинацию последовательности лесохозяйственных операций на выделах, при которой функция полезности была бы максимальна. Возможно назначение следующих целевых переменных: общий запас на выделе, запас древесины, запас «живой» древесины, прирост древостоя, площадь возобновления.

Подсистема визуализации. В MONTE возможна трехмерная визуализация каждого выдела в «планируемом» лесу. После составления плана возможен пошаговый просмотр будущего состояния выделов, с которыми будут произведены выбранные действия. Также в системе возможна трехмерная визуализация всего лесного участка на ландшафтном уровне. Ландшафт можно рассматривать с различных точек в пространстве. Возможен просмотр ландшафта для разных моментов времени при реализации тех или иных альтернативных планов лесопользования.

Таким образом, система MONTE представляет собой СПР для планирования ведения  хозяйства в одновидовых лесных насаждениях без учета пространственной структуры древостоев и без оценки динамики (или состояния) каких-либо экологических параметров. При этом в MONTE присутствуют все компоненты СПР – управление данными, моделирование, оптимизация и визуализация; и задача оптимизации «продукционной программы» решается с помощью набора нетривиальных эвристических алгоритмов. В настоящее время существуют различные подходы к реализации структурных блоков СПР, рассмотрим некоторые их них.

2.2 Существующие подходы к реализации подсистем СПР

Любая компьютерная система, содержащая один или несколько достаточно хорошо разработанных компонентов СПР – блок моделирования, оптимизации, визуализации или оценки – зачастую в литературе относится к СПР. Наиболее известные такие системы - зарубежные и российские - сведены в таблицу 1, соответственно. Источниками информации для таблицы 1, помимо научных публикаций, явились сведения о СПР, представленные в недавно завершенном проекте Национальной комиссии США по науке и устойчивому лесопользованию (Gordon S.N., 2007). Анализ таблицы показывает, что за рубежом существует достаточно большое разнообразие компьютерных систем, которые можно отнести к «лесным» СПР. Разнообразие наблюдается как в объеме и перечне решаемых задач, так и в используемых компьютерных инструментах. СПР можно ранжировать по степени увеличения сложности задач, для решения которых они предназначаются: от задач краткосрочного планирования лесозаготовок в одновидовых одновозрастных древостоях (система MONTE) до комплексного ландшафтного моделирования (пространственного и динамического) экологических и социально-экономических параметров лесных территорий (система CLAMS). По используемым компьютерным средствам также, с одной стороны, выделяются достаточно простые системы, реализующие либо отдельные блоки СПР (например, модели Moses, SIBYLA), либо все блоки СПР, но с простой их внутренней структурой (например, системы SGIS, SADfLOR). С другой стороны, выделяются системы с довольно серьезными проработками модельных либо оптимизационных блоков (например, системы ToSIA, RAMAS, TELSA). Области применения представленных шести моделей взаимно дополняют друг друга: это моделирование возникновения и распространения лесных пожаров (№ 24 табл. 1); моделирование динамики популяций лесных насекомых-филофагов (№ 25 табл. 1); моделирование динамики породно-возрастной структуры лесов (№ 24 табл. 1) и динамики многовидовых и разновозрастных древостоев (модели EFIMOD и FORRUS-S); моделирование динамики циклов элементов в системе «лес-почва» (модель EFIMOD), динамики водного, теплового и углеродного балансов лесных территорий с учетом динамики снего- и влагозапасов почвы, промерзания и оттаивания почвы (модель SWAP); трехмерное моделирование микроклимата, теплового и водного режимов лесного растительного покрова и почвы (модель Mixfor-3D).

Таблица 1 – Характеристика наиболее известных зарубежных СППР в задачах  управления лесами

Продолжение таблицы 1 - Характеристика наиболее известных зарубежных СППР в задачах управления лесами

Продолжение таблицы 1 - Характеристика наиболее известных зарубежных СППР в задачах управления лесами

Продолжение таблицы 1 - Характеристика наиболее известных зарубежных СППР в задачах управления лесами