Моделирование в научных исследованиях используется практически в любых отраслях национального хозяйства как эффективный инструмент познания того или иного явления, или процесса.
Так как реальный процесс представляет собой, как правило, сложную систему взаимодействия внутренних и внешних частей и факторов, для их изучения исследователи абстрагируются от части взаимодействий и их природы и выделяют те из них, которые в настоящий момент их интересуют. В этом случае принято говорить о модели процесса. Кратко назовем модель процесса, явления или объекта — моделью системы.
Различают по форме представления модели систем: физические, эколого-математические, логические, иконографические и др.
Физические модели — это некоторые реальные системы, в которых реализуются те или иные взаимодействия между элементами и частями изучаемого объекта. Они могут быть полными, частичными и аналоговыми. Полные модели представляют собой объект, измененный в масштабе с возможностью выполнять полностью или частично функции реального объекта. Так, например, при изучении эффективности очистки воды строится опытная очистная станция, ее конструкция представляется в реальном масштабе. Для изучения отдельных частей этой станции могут быть созданы частичные модели, например система обеззараживания воды.
Полные и частичные модели строятся на принципе подобия. Аналоговые модели строятся на известных аналогиях протекания тех или иных процессов в гидравлике, электротехнике и т.д., с помощью которых можно изучить некоторые экологические процессы в исследуемых системах, например, с помощью создания электрической схемы и ее изучения, полученные результаты, в свою очередь, можно перенести на экологические системы.
Логические модели реальных систем и процессов представляют собой описания типа «если..., то...», «если А, то и 5...», «если А и В, то С». Они используются в основном для описания процессов, определяющихся качественными параметрами.
Иконографические модели реальных систем представляют собой рисунки, схемы, графики, поясняющие устройство, принцип действия или наглядность тех или иных параметров экологических систем и т.п.
Чаще всего в экологических исследованиях применяются смешанные модели, например логико-математические. Модели этих систем имеют целевое назначение, например для исследования структуры, функционирования, расхода и т.д.
Модели структуры предназначены для изучения взаимоположения и связи элементов системы как внутри нее, так и с внешней средой. Такие модели могут быть представлены в виде схем, сетевых графиков, матриц связи.
Модели функционирования предназначены для изучения систем в динамике. Так, модели изменения воздушной среды в течение определенного времени, модели операций при изучении технологических процессов и т.д. Характерным признаком таких моделей в большинстве случаев является изменение параметров системы в функции от времени.
Модели расхода или прибыли используются при определении технико-экономических или иных показателей систем, оптимизации процессов по отдельным критериям.
При изучении экологических процессов и явлений математические модели рассматриваются в тесной связи с целевыми системами и представляют собой некоторые целостные структуры, которые называют эколого-математическими моделями.
Эколого-математические модели — это смешанные модели (логико-математические, математико-иконографические), представляющие определенную совокупность математических зависимостей, логических построений, схем, матриц и т.п., связанных в единую систему, имеющую экологический смысл.
Эколого-математическая модель, например, может быть представлена в виде иконографической модели — схемы модели объекта (рис. 1) и в виде функциональной зависимости состояния объекта Ф(t) = ¦(Х, A, G, Y, Q, t), которая является функцией времени от входных факторов состояния объекта, состояния управления, выходных факторов и факторов внешней среды. При этом все факторы следует рассматривать в данном случае в виде векторных величин, изменяющихся с течением времени. При моделировании подобного объекта могут быть применены различного вида модели для исследования тех или иных его частей с различным целевым назначением.
Однако, какие бы модели объектов не строили, в конце концов мы должны сравнивать их с реальными объектами, что чаще всего возможно в процессе проведения эксперимента (натурного испытания). В экологии встречаются большие трудности, так как ее характеризуют в основном процессы, имеющие значительные продолжительность во времени и трудности воспроизводства эксперимента. Поэтому главным направлением в моделировании экологических процессов является информационное моделирование, создание изоморфных абстрактных имитационных моделей (каждому элементу структуры объекта соответствует один элемент структуры модели), построенных на математическом и
