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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:（北京林业大学学信息学院，11000833）崔赛华（北京林业大学学信息学院，11000833）郑治刚（国家林业局规规划院，1000714）摘要 本文论论述了森林资资源系统的计计算机仿真理理论和方法，它它是森林资源源现代化管理理的理论基础础和最主要的的系统方法之之一。关键词 森林林资源 模型 计算机仿真真 现代代化管理1 引言森林资源系统的的计算机仿真真，就是借助助描述森林资资源系统的数数学模型，在在计算机上对对森林资源系系统的动态变变化规律和生生灭过程进行行各种模拟、试
2、试验和计算分分析。由于计计算机仿真具具有模拟、试试验、协调、控控制、优化、运运筹、决策等等功能，使得得其成为现代代化管理理论论的依据和最最主要的系统统方法之一。因因此，森林资资源系统的计计算机仿真是是林业科学工工作和系统理理论工作者研研究的热点问问题。目前，无论是国国外还是国内内所进行的森森林资源的计计算机仿真，所所使用的数学学模型不是经经验模型就是是统计模型，并并多为常微分分方程。它们们都不是根据据森林资源的的动态变化规规律和生灭过过程而推出的的数理方程，这这些模型都不不能从空间和和时间状态同同时对森林资资源的“生”、“长”、“死”及动态变化化规律作出深深刻而准确的的描述和表达达。因此，用用
3、这样的数学学模型进行的的计算机仿真真不可能对森森林资源的动动态变化规律律和生灭过程程作深刻、精精确的描述和和表达，不能能对森林资源源进行准确的的模拟、试验验和分析，用用这样的模型型对森林资源源进行计算机机仿真很难建建立起森林资资源现代化管管理的计算机机仿真理论和和技术方法。本文论述的森林林资源系统计计算机仿真所所使用的数学学模型是我们们在已完成的的国家自然科科学基金项目目中所推导的的描述森林资资源动态变化化和生灭过程程的数理方程程，这些模型型是维数不等等的偏微分方方程，描述了了森林资源的的状态空间和和时间空间内内的动态变化化规律、生灭灭过程和运动动轨迹。因此此，森林资源源系统的计算算机仿真是属
4、属于分布参数数系统的计算算机仿真。2 森林资源系系统仿真的数数学模型森林资源是森林林的数量和质质量的统一标标度和表达，是是森林具有财财产和价值的的属性部分。目目前，森林资资源一般是指指森林的面积积资源和立木木蓄积资源。森森林资源是由由森林各种各各样维数不等等的数量分布布结构组成，森森林的这种数数量分布结构构称为森林资资源分布结构构。森林资源源是森林数量量分布结构的的总称，是各各种特定（具具体）的森林林资源分布结结构的集合体体，每一种特特定的森林资资源分布结构构表示了一种种特定（具体体）的森林资资源。根据森林资源是是由许许多多多一维、二维维n维等数量分分布结构组成成，并依据森森林资源分布布结构的
5、动态态变化规律和和生灭过程推推导出了描述述森林资源分分布结构动态态变化规律和和生灭过程的的数理方程。(1)同龄纯林林的林龄面积积分布结构变变化方程： (1 )(2)林木直径径分布结构结结构变化方程程： (2 )(3)林木株数数的直径树高分布结结构变化方程程：(3 )(4)混交林的的林木直径分分布结构变化化方程： (4 )(5)混交异龄龄林的林木株株数的直径林龄分布结结构变化方程程： (5 )(6)混交异龄龄林的面积按按混交系数平均年龄分分布的分布结结构变化方程程： (6 )(7)森林资源源分布结构变变化方程的一一般形式（通通式方程） (7 )以上均为方程的的连续型模型型。森林资源源的计算机仿仿
6、真就是用上上述方程的离离散型模型。离离散型模型一一般可用向量量的形式或矩矩阵的形式表表示，由于篇篇幅关系上述述方程的离散散型模型从略略。在上述方程中，（11）至（6）式式是描述森林林资源某些具具体分布结构构的动态变化化规律和生灭灭过程的数理理方程；（77）式是描述述森林资源各各种连续型、阶阶梯型分布结结构的动态变变化规律和生生灭过程的数数理方程，是是通式方程，（11）至（6）式式是（7）式式的具体化。由由于森林资源源是由各种分分布结构组成成，因此森林林资源就得到到了描述。上述所有模型都都把自己所描描述的系统（分分布结构）在在t时的状态（PP(t)），起始状状态（p(o)）、t时刻生的状状态（(
7、t)）、死的状状态（(t)）、长的状状态（(t)）等有机的的连系在一起起，充分地表表示了它们之之间的数量关关系，描述了了系统与个体体、个体与个个体之间的相相互数量关系系及生灭过程程的数量关系系，深刻地揭揭示了森林资资源系统的动动态变化规律律和生灭过程程，描述了森森林资源在时时间空间上运运动的轨迹。同同时这些模型型都有解，且且解唯一，并并具有连续依依赖变量而变变化。这些都都为森林资源源的计算机仿仿真提供了可可靠的数学模模型，坚实的的理论依据和和数理方法。3 森林资源计计算机仿真计计算的主要内内容森林资源系统计计算机仿真的的关键是对偏偏微分方程进进行求解，即即如何将数学学模型变为仿仿真模型。由由仿
8、真模型可可以研制适合合于森林资源源特点的分布布参数系统仿仿真软件，从从而在计算机机上实现仿真真计算。本文文对如何具体体编制仿真软软件不作讨论论，只对如何何通过仿真实实现各种仿真真目标进行讨讨论。3.1森林资源源仿真计算的的主要目标(1)模拟森林林资源的动态态变化和生灭灭过程的仿真真计算描述森林资源分分布结构动态态变化和生灭灭过程的连续续型模型离散散化变为离散散型模型。将将其任意时间间t的起始（初初值）状态pp(0)、生的状态态(t)、长的状态态(t)、死的状态态(t)等值代入方方程，可得到到系统（森林林资源分布结结构）在各个个不同时间，不不同的生、长长、死状态下下的状态值，从从而在计算机机上实
9、现森林林资源分布结结构动态度化化和生灭过程程的模拟仿真真计算。森林资源的监监测与预测计计算。监测就就是通过各种种调查、统计计、遥感等方方法和手段，即即时获得各个个时间段上系系统的造林更更新率(t)、保存率(t)、生长率(t)、死亡率(t)等参数代入入方程，计算算出各时间段段上森林资源源（系统）的的状态值，进进行动态监测测。利用模型型进行预测计计算，其实质质就是对模型型的基本函数数(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等进行外推推，外推值代代入方程计算算，实现对某某系统未来的的预测。森林资源现状状分析计算。森林资源再现现计算。有了了森林资源现现在的状态值值S（k）和k1时到K时的的（k-1）、(
10、k-1)、(k-1)的值就可以以计算过去（k-1）的森林资源的状态值，实现森林资源的再现。计算指标参数数体系，对森森林资源进行行评价。由于于描述森林资资源分布结构构的数学模型型是数理方程程即理论模型型，因而所有有描述森林资资源质量和数数量的指标参参数都可以通通过它的状态态函数而计算算出来。通过过模拟仿真计计算，只要计计算出它任意意时间后状态态值，就可以以计算出相应应时间的各种种指标参数，形形成指标参数数体系。可以以实现随时随随地对森林资资源进行科学学的评价。(2)对经营方方案，措施等等进行优化的的仿真计算模型中的(tt)、(t)、(t)、(t)、(t)等基本函数数值的大小，在在实际生产中中和森
11、林资源源经营和管理理活动中的经经营措施和经经营方案等有有密切的关系系。而这些基基本函数的值值在已知t时的状态值值P(t)，起始状态态（初值）的的值P(0)及其它基本本函数值的情情况下，无论论是通过方程程的连续型模模型还是离散散型模型都可可以求出。在在实际生产中中就是在已知知经营森林资资源者所需要要的状态或要要达到的状态态P(t)，以及目前前的状态即起起始状态P(0)，如何从目目前的状态PP(0)达到所需要要或要达到的的状态P(t)，应采取什什么经营措施施，即通过采采（）多少，造造（）多少，长长（）多少才能能达到所要求求的状态，即即通过什么样样的经营措施施和方案才能能达到。这些些都可以通过过方程
12、分别求求得每一个基基本函数的值值，该值就是是应该采取的的措施值，这这一完整的经经营方案，经经营措施的优优化过程，通通过系统的仿仿真模型编制制成仿真软件件，在计算机机上通过仿真真计算完全可可以实现。并并且可以对多多个方案，各各种可能的经经营措施进行行模拟、试验验、对比等仿仿真计算，寻寻求最优或最最佳方案和措措施。这是计计算机仿真的的一大优点，人人工计算是不不可想象的。(3)控制的仿仿真计算在控制论中，许许多复杂系统统的控制问题题都是利用系系统的仿真计计算而实现可可控计算和讨讨论，把仿真真计算作为实实现可控计算算的工具和方方法之一。同同样森林资源源的结构调整整以及森林资资源的最优控控制等都可以以通
13、过描述森森林资源的数数理方程在计计算机上进行行仿真计算来来实现。森林资源的结构构调整其实质质是森林资源源的分布结构构调整。就是是由现在的一一种不合理（不不理想）的分分布结构状态态出发，在一一定时间内或或在最短的时时间内通过不不断的调整控控制变量，平平稳过渡到理理想（合理）的的结构状态，是是一个控制问问题。在林业业实际生产中中，森林资源源分布结构的的调整主要是是通过采伐和和造林更新达达到调控的目目的，在目前前的科技水平平下林木的生生长速度还无无法做到控制制。森林资源的控制制就是通过可可控制变量的的取值范围和和大小进行调调控，在使得得路径最短（最最优）或时间间最短（最优优）或结构最最佳等的情况况下
14、由目前的的状态过渡到到理论或要求求的状态。这这一讨论和分分析过程同样样也可以通过过仿真计算而而实现。例如如森林资源的的可持续发展展的定量描述述只有通过描描述森林资源源的数理方程程而建立的控控制理论和方方法、仿真理理论和方法才才能建立和完完成。同样，森森林资源与环环境和人类社社会关系的协协调、平衡和和发展及其实实现也只有通通过森林资源源的控制理论论和方法与森森林资源的仿仿真理论和方方法才能建立立和实现。(4)运用森林林资源的计算算机仿真替代代传统的经营营方案编制森林经理学（森森林的经营和和管理的科学学）的主要研研究内容之一一是编制施业业案或称经营营方案等。过过去编制经营营方案是根据据森林的现状状
15、（静态）和和林分的状况况及地形、土土壤、气候等等因素，并且且根据编制人人员理论和经经验而确定森森林资源今后后5年或100年或更长时时间对经营的的目的（要达达到目标），应应采取的措施施如抚育、间间伐等编制一一个实施方案案。这样编制制出的方案是是一个静态、一一成不变的东东西，是凭人人的某种主观观意识和经验验而编制的。而而森林资源及及其环境时刻刻都在变化，其其中很多因素素是人无法控控制和预知的的。因此，用用一个既定的的方案去要求求一个分复杂杂而不断变化化着的系统以以实现预先的的目标，这是是很难想象的的。事实上生生产中几乎所所有编制的经经营方案都无无法实践，都都行不通。借借助森林资源源的数理模型型，在计算机机实现森林资资源系统动态态变化和模拟拟仿真，从而而达到制定各各种最佳方案案并加以实施施，做到时时时掌握森林资资源系统的变变化情况以及及发展趋势。因因此，用建立立森林资源计计算机仿真计计算和决策支支持系统代替替经营方案及及其编制完全全可能和可行行。3.2 森林资资源仿真的辅辅助计算为了实现各种仿仿真计算的目目标，需要进进行仿真的辅辅助计算，以以满足仿真计计算所需的参参数，指标、数数据及处理数数据的技术方方法，使得仿仿真计算有较较
