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1、森林资源系统的计算机仿真与现代化管理李 昀*李昀，1968年出生，博士，副教授。主要研究方向：资源与环境信息管理。Email:（北京林业业大学信信息学院院，10000883）崔赛华（北京林业业大学信信息学院院，10000883）郑治刚（国家林业业局规划划院，11007714）摘要 本本文论述述了森林林资源系系统的计计算机仿仿真理论论和方法法，它是是森林资资源现代代化管理理的理论论基础和和最主要要的系统统方法之之一。关键词 森林资资源 模型型 计算机机仿真 现现代化管管理1 引言森林资源系系统的计计算机仿仿真，就就是借助助描述森森林资源源系统的的数学模模型，在在计算机机上对森森林资源源系统的的动
2、态变变化规律律和生灭灭过程进进行各种种模拟、试试验和计计算分析析。由于于计算机机仿真具具有模拟拟、试验验、协调调、控制制、优化化、运筹筹、决策策等功能能，使得得其成为为现代化化管理理理论的依依据和最最主要的的系统方方法之一一。因此此，森林林资源系系统的计计算机仿仿真是林林业科学学工作和和系统理理论工作作者研究究的热点点问题。目前，无论论是国外外还是国国内所进进行的森森林资源源的计算算机仿真真，所使使用的数数学模型型不是经经验模型型就是统统计模型型，并多多为常微微分方程程。它们们都不是是根据森森林资源源的动态态变化规规律和生生灭过程程而推出出的数理理方程，这这些模型型都不能能从空间间和时间间状态
3、同同时对森森林资源源的“生”、“长”、“死”及动态态变化规规律作出出深刻而而准确的的描述和和表达。因因此，用用这样的的数学模模型进行行的计算算机仿真真不可能能对森林林资源的的动态变变化规律律和生灭灭过程作作深刻、精精确的描描述和表表达，不不能对森森林资源源进行准准确的模模拟、试试验和分分析，用用这样的的模型对对森林资资源进行行计算机机仿真很很难建立立起森林林资源现现代化管管理的计计算机仿仿真理论论和技术术方法。本文论述的的森林资资源系统统计算机机仿真所所使用的的数学模模型是我我们在已已完成的的国家自自然科学学基金项项目中所所推导的的描述森森林资源源动态变变化和生生灭过程程的数理理方程，这这些模
4、型型是维数数不等的的偏微分分方程，描描述了森森林资源源的状态态空间和和时间空空间内的的动态变变化规律律、生灭灭过程和和运动轨轨迹。因因此，森森林资源源系统的的计算机机仿真是是属于分分布参数数系统的的计算机机仿真。2 森林资资源系统统仿真的的数学模模型森林资源是是森林的的数量和和质量的的统一标标度和表表达，是是森林具具有财产产和价值值的属性性部分。目目前，森森林资源源一般是是指森林林的面积积资源和和立木蓄蓄积资源源。森林林资源是是由森林林各种各各样维数数不等的的数量分分布结构构组成，森森林的这这种数量量分布结结构称为为森林资资源分布布结构。森森林资源源是森林林数量分分布结构构的总称称，是各各种特
5、定定（具体体）的森森林资源源分布结结构的集集合体，每每一种特特定的森森林资源源分布结结构表示示了一种种特定（具具体）的的森林资资源。根据森林资资源是由由许许多多多一维维、二维维n维等数数量分布布结构组组成，并并依据森森林资源源分布结结构的动动态变化化规律和和生灭过过程推导导出了描描述森林林资源分分布结构构动态变变化规律律和生灭灭过程的的数理方方程。(1)同龄龄纯林的的林龄面面积分布布结构变变化方程程： (11 )(2)林木木直径分分布结构构结构变变化方程程： (2 )(3)林木木株数的的直径树高分分布结构构变化方方程：(3 )(4)混交交林的林林木直径径分布结结构变化化方程： (44 )(5)
6、混交交异龄林林的林木木株数的的直径林龄分分布结构构变化方方程： (5 )(6)混交交异龄林林的面积积按混交交系数平均年年龄分布布的分布布结构变变化方程程： (6 )(7)森林林资源分分布结构构变化方方程的一一般形式式（通式式方程） (7 )以上均为方方程的连连续型模模型。森森林资源源的计算算机仿真真就是用用上述方方程的离离散型模模型。离离散型模模型一般般可用向向量的形形式或矩矩阵的形形式表示示，由于于篇幅关关系上述述方程的的离散型型模型从从略。在上述方程程中，（11）至（66）式是是描述森森林资源源某些具具体分布布结构的的动态变变化规律律和生灭灭过程的的数理方方程；（77）式是是描述森森林资源
7、源各种连连续型、阶阶梯型分分布结构构的动态态变化规规律和生生灭过程程的数理理方程，是是通式方方程，（11）至（66）式是是（7）式式的具体体化。由由于森林林资源是是由各种种分布结结构组成成，因此此森林资资源就得得到了描描述。上述所有模模型都把把自己所所描述的的系统（分分布结构构）在tt时的状状态（PP(t)），起起始状态态（p(o)）、t时刻生生的状态态（(t)）、死死的状态态（(t)）、长长的状态态（(t)）等有有机的连连系在一一起，充充分地表表示了它它们之间间的数量量关系，描描述了系系统与个个体、个个体与个个体之间间的相互互数量关关系及生生灭过程程的数量量关系，深深刻地揭揭示了森森林资源源
8、系统的的动态变变化规律律和生灭灭过程，描描述了森森林资源源在时间间空间上上运动的的轨迹。同同时这些些模型都都有解，且且解唯一一，并具具有连续续依赖变变量而变变化。这这些都为为森林资资源的计计算机仿仿真提供供了可靠靠的数学学模型，坚坚实的理理论依据据和数理理方法。3 森林资资源计算算机仿真真计算的的主要内内容森林资源系系统计算算机仿真真的关键键是对偏偏微分方方程进行行求解，即即如何将将数学模模型变为为仿真模模型。由由仿真模模型可以以研制适适合于森森林资源源特点的的分布参参数系统统仿真软软件，从从而在计计算机上上实现仿仿真计算算。本文文对如何何具体编编制仿真真软件不不作讨论论，只对对如何通通过仿真
9、真实现各各种仿真真目标进进行讨论论。3.1森林林资源仿仿真计算算的主要要目标(1)模拟拟森林资资源的动动态变化化和生灭灭过程的的仿真计计算描述森林资资源分布布结构动动态变化化和生灭灭过程的的连续型型模型离离散化变变为离散散型模型型。将其其任意时时间t的起始始（初值值）状态态p(0)、生的的状态(t)、长的的状态(t)、死的的状态(t)等值代代入方程程，可得得到系统统（森林林资源分分布结构构）在各各个不同同时间，不不同的生生、长、死死状态下下的状态态值，从从而在计计算机上上实现森森林资源源分布结结构动态态度化和和生灭过过程的模模拟仿真真计算。森林资源源的监测测与预测测计算。监监测就是是通过各各种
10、调查查、统计计、遥感感等方法法和手段段，即时时获得各各个时间间段上系系统的造造林更新新率(t)、保存存率(t)、生长长率(t)、死亡亡率(t)等参数数代入方方程，计计算出各各时间段段上森林林资源（系系统）的的状态值值，进行行动态监监测。利利用模型型进行预预测计算算，其实实质就是是对模型型的基本本函数(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等进行行外推，外外推值代代入方程程计算，实实现对某某系统未未来的预预测。森林资源源现状分分析计算算。森林资源源再现计计算。有有了森林林资源现现在的状状态值SS（k）和k1时到KK时的（k-11）、(k-11)、(k-11)的值就就可以计计算过去去（k-1）的的森
11、林资资源的状状态值，实实现森林林资源的的再现。计算指标标参数体体系，对对森林资资源进行行评价。由由于描述述森林资资源分布布结构的的数学模模型是数数理方程程即理论论模型，因因而所有有描述森森林资源源质量和和数量的的指标参参数都可可以通过过它的状状态函数数而计算算出来。通通过模拟拟仿真计计算，只只要计算算出它任任意时间间后状态态值，就就可以计计算出相相应时间间的各种种指标参参数，形形成指标标参数体体系。可可以实现现随时随随地对森森林资源源进行科科学的评评价。(2)对经经营方案案，措施施等进行行优化的的仿真计计算模型中的(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等基本本函数值值的大小小，在实实际生产产中
12、和森森林资源源经营和和管理活活动中的的经营措措施和经经营方案案等有密密切的关关系。而而这些基基本函数数的值在在已知tt时的状状态值PP(t)，起始始状态（初初值）的的值P(0)及其它它基本函函数值的的情况下下，无论论是通过过方程的的连续型型模型还还是离散散型模型型都可以以求出。在在实际生生产中就就是在已已知经营营森林资资源者所所需要的的状态或或要达到到的状态态P(t)，以及及目前的的状态即即起始状状态P(0)，如何何从目前前的状态态P(0)达到所所需要或或要达到到的状态态P(t)，应采采取什么么经营措措施，即即通过采采（）多少少，造（）多少，长（）多少才能达到所要求的状态，即通过什么样的经营措
13、施和方案才能达到。这些都可以通过方程分别求得每一个基本函数的值，该值就是应该采取的措施值，这一完整的经营方案，经营措施的优化过程，通过系统的仿真模型编制成仿真软件，在计算机上通过仿真计算完全可以实现。并且可以对多个方案，各种可能的经营措施进行模拟、试验、对比等仿真计算，寻求最优或最佳方案和措施。这是计算机仿真的一大优点，人工计算是不可想象的。(3)控制制的仿真真计算在控制论中中，许多多复杂系系统的控控制问题题都是利利用系统统的仿真真计算而而实现可可控计算算和讨论论，把仿仿真计算算作为实实现可控控计算的的工具和和方法之之一。同同样森林林资源的的结构调调整以及及森林资资源的最最优控制制等都可可以通
14、过过描述森森林资源源的数理理方程在在计算机机上进行行仿真计计算来实实现。森林资源的的结构调调整其实实质是森森林资源源的分布布结构调调整。就就是由现现在的一一种不合合理（不不理想）的的分布结结构状态态出发，在在一定时时间内或或在最短短的时间间内通过过不断的的调整控控制变量量，平稳稳过渡到到理想（合合理）的的结构状状态，是是一个控控制问题题。在林林业实际际生产中中，森林林资源分分布结构构的调整整主要是是通过采采伐和造造林更新新达到调调控的目目的，在在目前的的科技水水平下林林木的生生长速度度还无法法做到控控制。森林资源的的控制就就是通过过可控制制变量的的取值范范围和大大小进行行调控，在在使得路路径最
15、短短（最优优）或时时间最短短（最优优）或结结构最佳佳等的情情况下由由目前的的状态过过渡到理理论或要要求的状状态。这这一讨论论和分析析过程同同样也可可以通过过仿真计计算而实实现。例例如森林林资源的的可持续续发展的的定量描描述只有有通过描描述森林林资源的的数理方方程而建建立的控控制理论论和方法法、仿真真理论和和方法才才能建立立和完成成。同样样，森林林资源与与环境和和人类社社会关系系的协调调、平衡衡和发展展及其实实现也只只有通过过森林资资源的控控制理论论和方法法与森林林资源的的仿真理理论和方方法才能能建立和和实现。(4)运用用森林资资源的计计算机仿仿真替代代传统的的经营方方案编制制森林经理学学（森林林的经营营和管理理的科学学）的主主要研究究内容之之一是编编制施业业案或称称经营方方案等。过过去编制制经营方方案是根根据森林林的现状状（静态态）和林林分的状状况及地地形、土土壤、气气候等因因素，并并且根据据编制人人员理论论和经验验而确定定森林资资源今后后5年或或10年年或更长长时间对对经营的的目的（要要达到目目标），应应采取的的措施如如抚育、间间伐等编编制一个个实施方方案。这这样编制制出的方方案是一一个静
