Рабочая программа по системному анализу и основам

СОДЕРЖАНИЕ
1. Цель и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе .......................…… 4
2. Требования к уровню знаний в соответствии с Госстандартом................….. 5
3. Содержание учебного процесса и его структурирование.........................……. 6
3.1. План лекций .........................................................................................………… 6
3.2. План лабораторно-практических занятий .........................................…... .. 10
3.3. Самостоятельная работа ............................................................……..……… 12
3.4. Формы контроля………………………………………………………………..14
3.5. Вопросы для экзамена........................................................................................ 15
4. Указания по выполнению курсовой работы……………………………………17
5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины ......................................….. 19
5.1. Рекомендуемая литература................................................................................ 19
5.2. Средства обеспечения освоения дисциплины…………………………….. 20
6. Материально-техническое обеспечение дисциплины ………………………. 20
7. Реализация требований государственного стандарта ……………………….. 21
3
1. Цель и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальностям 320400 – Агроэкология. Разработана на основе примерной программы, утвержденной руководителем Департамента образовательных программ и стандартов профессионального образования
20 декабря 2001 г. Одобрена на заседании совета УМК 320400 «Агроэкология» 10 декабря 2001 г.
Данная рабочая программа была составлена с целью регламентации постановки и организации обучения по указанному курсу.
Основная цель курса - овладение принципиальными подходами к проведению системного анализа экосистем, освоение терминологии, основных приемов проведения системного анализа, знакомство с математическими моделями конкретных ситуаций, возможностями выбора оптимального решения проблемы.
Задачи дисциплины
- выделение основных закономерностей поведения системы;
- нахождение необходимой информации для анализа систем и построения их моделей;
- получение возможных решений на основе математического моделирования ситуаций и выбор из них оптимальных
для конкретных ситуаций;
- изучение методологии принятия решений.
Учебный курс “Системный анализ и основы моделирования экосистем” базируется на следующих дисциплинах: высшая математика, информатика и моделирование, химия неорганическая, органическая, аналитическая, физическая,
коллоидная, химия окружающей среды, основы общей экологии, сельскохозяйственная экология, методы экологических исследований.
4
2. Требования к уровню знаний в соответствии с Госстандартом
После изучения курса студент должен знать:
принципиальные возможности математических методов, используемых в системном анализе и моделировании;
область применения системного анализа в экологии;
математическую и специальную терминологию, используемую в системном анализе и моделировании;
основные типы математических моделей и принципы их построения;
основы методов системного анализа и моделирования настолько, чтобы с помощью математиков, системных аналитиков, программистов полно использовать возможность формальных методов при решении экологических проблем, правильно сочетая их с неформальными методами.
Студент должен уметь:
грамотно сформулировать задачу, четко определить достижимую цель при решении экологической проблемы;
синтезировать модель, адекватно отражающую существенные черты исследуемого объекта и условия, в которых он находится;
на основе формального описания ситуации выбрать лучшее из всех возможных решение и доказать, что это действительно оптимальное решение по данному критерию качества.
5
3. Содержание учебного процесса и его структурирование
3.1. План лекций
ТехничеКол-во ские и
Наименование тем
и их краткое содержание
Литература
часов другие
средства
обучения
1
2
3
4
2
Таблицы, 1.Агроэкология / В.А.Черников, Р.М.Алексахин, А.В.Голубев
1. Введение. Предмет, структура и задачи
плакаты, и др.; Под ред. В.А.Черникова, А.И.Чекерес. – Т. 2. М.: Кокурса. Понятие о системах. Сущность общей
мульти- лос, 2004. – С. 258-292
теории систем. Признаки систем. Основные
2. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. помедийный собие. — СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000 г. — 326 с
свойства систем. Классификация систем.
проектор 3.Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа. М.: Издательство
МГУ, 1996. - 108 с.
2. Системный анализ. Определение системного анализа. Объект и предмет системного
анализа. Становление системных исследований. Современное состояние системных исследований
2
-//-
механико-математического
факультета
1.Агроэкология / В.А.Черников, Р.М.Алексахин, А.В.Голубев
и др.; Под ред. В.А.Черникова, А.И.Чекерес. – Т. 2. М.: Колос, 2004. – С. 258-292
2. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. пособие. — СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000 г. — 326 с
6
1
3. Особенности проведения системного
анализа. Структурные элементы системного
анализа. Процесс системного анализа. Последовательность этапов системного анализа.
4. Биологические системы. Особенность
2
2
3
4
Таблицы, 1.Агроэкология / В.А.Черников, Р.М.Алексахин, А.В.Голубев
плакаты, и др.; Под ред. В.А.Черникова, А.И.Чекерес. – Т. 2. М.: Комульти- лос, 2004. – С. 258-292
2. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. помедийный собие. — СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000 г. — 326 с
проектор 3.Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа. -
2
-//-
2
-//-
биологических систем. Форма управления в
биологических системах. Свойства и динамика биологических систем
5. Модели и моделирование. Определение
понятия модели. Классификация моделей.
Основы математического моделирования.
Динамические модели. Матричные модели.
Стохастические модели. Многомерные модели. Оптимизационные и другие модели.
М.: Издательство механико-математического факультета
МГУ, 1996. - 108 с.
1. Гирусов Э.Б., Бобылев С.Н. и др. Экология и экономика
природопользования. Юнити, Москва, 1998, 455 с
2. Гиляров А.М. Популяционная экология: Учеб. пособие.Издательство МГУ, 1990. - 191 с.
3. Джефферс Дж. Введение в системный анализ: применение
в экологии: Пер. с анг./ Перевод Логофета Д.О.- М.: Мир,
1981.- 256с.
1.Агроэкология / В.А.Черников, Р.М.Алексахин, А.В.Голубев
и др.; Под ред. В.А.Черникова, А.И.Чекерес. – Т. 2. М.: Колос, 2004. – С. 258-292
2. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. пособие. — СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000 г. — 326 с
3.Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа. М.: Издательство механико-математического факультета
МГУ, 1996. - 108 с.
7
1
6. Применение моделей и моделирования.
Физическое, математическое, аналоговое,
цифровое, имитационное моделирование
2
2
3
-//-
7. Моделирование в агроэкологии. Экосистемы как сложные системы управления
Проблемы управления в экосистемах. Структура системы управления
2
-//-
8. Автоматические системы управления.
Характеристики систем управления. Оценка работы систем управления Структура систем управления. Программное управление.
Типовые входные воздействия. Временные
характеристики. Переходная функция. Типы
переходных процессов. Фазово-частотные
характеристики. Критерии качества. Обратные задачи систем управления.
2
-//-
4
1.Агроэкология / В.А.Черников, Р.М.Алексахин, А.В.Голубев
и др.; Под ред. В.А.Черникова, А.И.Чекерес. – Т. 2. М.: Колос, 2004. – С. 258-292
2. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. пособие. — СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000 г. — 326 с
3.Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа. М.: Издательство механико-математического факультета
МГУ, 1996. - 108 с.
1. Гирусов Э.Б., Бобылев С.Н. и др. Экология и экономика
природопользования. Юнити, Москва, 1998, 455 с.
2. Чепурных Н.В., Новоселов А.Л. Планирование и прогнозирование природопользования. Интерпракс, Москва, 1995, 285
с
1.Агроэкология / В.А.Черников, Р.М.Алексахин, А.В.Голубев
и др.; Под ред. В.А.Черникова, А.И.Чекерес. – Т. 2. М.: Колос, 2004. – С. 258-292
2. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. пособие. — СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000 г. — 326 с
3.Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа. М.: Издательство механико-математического факультета
МГУ, 1996. - 108 с.
8
1
. Методы оптимизации экосистем. Экосистемы и агроэкосистемы как объект моделирования. Принципы моделирования экологических процессов. Структура моделей и технология их использования. Пространственно
-распределительные экосистемы. Основные
проблемы построения и использования имитационных систем в экологии.
10. Динамические модели агроэкосистем.
Прикладные динамические модели и управление агроэкосистемами. Типы динамичности
в биологических системах. Методы описания
динамики биологических систем. Особенности исследования биологических систем.
Перспективы использования моделей в агроэкологии.
ИТОГО
2
2
3
4
Таблицы, 1. Литвак Ш.И. Системный подход к агрохимическим исслеплакаты, дованиям. - М.: Агропромиздат, 1990. - 220 с.
мульти- 2. Рюмина Е.В. Экологический фактор в экономикоэкологических моделях. - М: Наука, 1980. - 168 с.
медийный 3. Пегов С.А., Хомяков П.М. Моделирование развития эколопроектор гических систем. Л., Гидрометеоиздат, 1991
2
1. Гирусов Э.Б., Бобылев С.Н. и др. Экология и экономика
природопользования. Юнити, Москва, 1998, 455 с.
2. Чепурных Н.В., Новоселов А.Л. Планирование и прогнозирование природопользования. Интерпракс, Москва, 1995, 285
с
3. Литвак Ш.И. Системный подход к агрохимическим исследованиям. - М.: Агропромиздат, 1990. - 220 с.
4. Рюмина Е.В. Экологический фактор в экономикоэкологических моделях. - М: Наука, 1980. - 168 с.
5. Пегов С.А., Хомяков П.М. Моделирование развития экологических систем. Л., Гидрометеоиздат, 1991
-//-
20
9
3.2. План лабораторно-практических занятий
№
п.п.
1
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Коли- Технические и дручество гие средства обуче- Форма
контроля
часов
ния
2
3
4
5
2
Мультимедийный собесеИсторико-методологические предпопроектор
дование
сылки возникновения системного
подхода. Связь с другими науками
2
Компьютерный решение
Основные системные понятия. Элекласс
задач
менты теории стратегических игр;
стратегических решений. Многокритериальные ЗПР.
Классификация систем по различным
2
Мультимедийный семинар
критериям
проектор
Этапы системного анализа
2
семинар
Выбор гарантирующей стратегии. Си2
Мультимедийный собесетуация и принцип устойчивости
проектор
дование
2
Компьютерный решение
Динамика биологических систем.
класс
задач
Принцип обратной связи. Программное управление
Иерархические структуры. Причины
2
Мультимедийный собесеих ведения.
проектор
дование
2
Компьютерный решение
Основы математического моделирокласс
задач
вания. Преимущества и недостатки
математических моделей. Другие модели
Наименование тем занятий
Рекомендуемая литература
6
[1], [10], [12]
[1], [2], [9], [12]
[1], [2], [9], [12]
[1], [10], [12]
[1], [2], [9], [12]
[1], [2], [3], [4], [5], [8],
[2], [3], [10]
[3], [11], [12]
10
1
2
9. Модели и экология. Принципы моделирования экологических процессов
10. Основные проблемы построения и использования имитационных моделей в
агроэкологии
11. Идентификация и верификация моделей Перспективы использования моделей в агроэкологии
12. Имитационная система оценки воздействия на экосистему региона
13. Научные основы теории принятия
решений. Основные понятия теории
принятия решений. Классификационные признаки задач принятия решений (ЗПР). Элементы теории стратегических игр. Многокритериальные
ЗПР. Их типы
14. Модели миграции и трансформации
загрязняющих веществ
15. Оптимизационные задачи. Неравенства. Уравнения. Метод потенциалов.
Критерий оптимальности. Нелинейное программирование. Метод решения оптимизационных задач. Динамическое программирование.
ИТОГО
3
2
2
4
5
Мультимедийный семинар
проектор
Мультимедийный сдача
проектор
работ
6
[1], [2], [3], [10]
[1], [2], [8], [12]
2
Мультимедийный собесепроектор
дование
[2], [3], [11], [13]
2
Мультимедийный сдача
проектор
работ
Мультимедийный собесепроектор
дование
[2], [3]
2
2
2
Компьютерный
класс
Компьютерный
класс
решение
задач
решение
задач
[1], [2], [3], [9]
[2], [7], [8], [9],
[3], [5], [8], [11]
30
11
3.3. Самостоятельная работа
№
Наименование тем
п.п.
1. Взаимодействие общества и биосферы.
2. Управление в условиях неполноты информации
3. Проблемы моделирования глобального
развития
3. Популяция и среда. Трофические графы,
трофические сети и цепи.
4. Моделирование процесов тепло- и влагопереноса в почве. Моделирование фотосинтеза.
5. Построение двухпоточных моделей
6. Двойственность в линейном программировании
7. Практическое применение системного
анализа в консультационной работе
8. Подготовка и написание курсовой работы
9. Подготовка к экзамену
ИТОГО
Кол-во
часов
2
4
[2], [13], [7],
[2], [10], [12],
4
[2], [13], [7]
2
[2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]
2
[1], [5], [6], [7], [8]
2
2
[2], [10], [12],
[2], [10], [12],
2
[2], [3], [4],
Литература
15
5
40
13
3.4 Формы контроля
1. Текущий контроль - устное собеседование на лабораторно-практических занятиях, решение контрольных задач,
семинары.
2. В конце семестра - коллоквиум по материалам лабораторно-практических занятий, сдача курсовой работы.
3. Итоговый контроль - экзамен.
3.5 Вопросы для экзамена
1. Понятие о системном анализе. Историко-методологические предпосылки его возникновения.
2. Значение системного анализа и моделирования в решении экологических проблем.
3. Понятие о системе, ее элементах, компонентах, структуре, морфологии, функциональной среде. Классификация
систем.
4. Особенности поведения сложных систем и их состояния. Сущность общей теории систем. Понятие об управлении системами.
5. Основные этапы системного анализа и их краткая характеристика.
6. Понятие модели. Краткая характеристика основных семейств математических моделей.
7. Основные этапы моделирования и их характеристика.
8. Моделирование продукционных процессов: классификация моделей, классы задач и математический аппарат.
9. Проблемы моделирования биологических процессов на ЭВМ.
10. Задачи управления биологическими процессами.
11. Методы математико-статистического прогнозирования
12. Расскажите о трендовых моделях прогнозирования
13. Механизм построения трендовых моделей
14
14. Выбор уравнения для построения трендовых моделей на основе расчета ошибки аппроксимации
15. Метод векторного прогнозирования при проведении экспресс-прогноза
16. Принцип построения многофакторных моделей, коэффициенты Фехнера, коэффициент ассоциации, коэффици-
ент парной корреляции
17. Методы анализа и решения многокомпонентных задач.
18. Расскажите о теории ориентированных графов. Дайте понятие пути, контура, вершины, матрицы смежности.
19. Знаковые и взвешенные орграфы. Их использование при решении многокомпонентных задач
20. Принцип Гаузе. Граф конкуренции
21. Факторы, обеспечивающие стабильность системы «хищник-жертва». Точки равновесия
22. Концептуальное представление точек равновесия систем «хищник-жертва»
23. Расчет чистой скорости размножения и среднего времени генерации популяции
24. Моделирование динамики экосистем
25. Гипотеза взаимного регулирования популяций в системе «Хищник-жертва»
26. Отобразить орграфы стабильной системы и системы, находящейся под воздействием человека
27. Моделирование экосистем с помощью взвешенного орграфа
28. Сущность программно-целевого подхода в решении проблем охраны окружающей среды
29. Системный анализ и структурирование региональных проблем
30. Количественные, качественные и смешанные проблемы, возникающие при проведении природоохранных мероприятий
31. Основные черты количественно-качественных проблем природопользования
32. Корректировка региональных программ природопользования
33. Классификация факторов внешней среды при проведении природоохранных мероприятий
34. Методические подходы к определению экологической емкости и биоэнергетического потенциала территорий
экосистем
35. Методы получения исходной информации для расчета БЭПТ и экологической емкости.
15
36. Определение энергопотенциала почвы и его изменения за оцениваемого период
37. Методика определения оптимального соотношения угодий в агроландшафте на основе расчета БЭПТ
38. Принципы оптимизации структуры угодий в агроландшафте Классические модели роста численности популя-
ции.
39. Моделирование экосистемы “хищник - жертва”.
40. Функциональные модели сельскохозяйственных культур.
41. Современная теория и методология моделирования плодородия почв.
42. Модели прогноза и управления почвенным плодородием. Банк моделей плодородия почв.
43. Проблемы моделирования глобальных социо-эколого-экономических систем.
44. Краткий обзор и анализ основных математических моделей глобального развития.
45. Прикладное использование анализа больших систем.
46. Системный анализ и моделирование в экологическом блоке оптимального планирования народного хозяйства.
47. Основные положения теории ориентированных графов. Область использования данной теории в экологии.
48. Системный анализ и проблемы прогнозирования. Качественные и количественные методы прогнозирования.
49. Экосистема как объект прогнозирования. Классификация экологических прогнозов.
50. Классификация моделей, используемых в прогнозировании.
51. Основные проблемы экологического прогнозирования. Особенности моделирования климата.
16
4. Указания по выполнению курсовой работы
Цель: Закрепить знания в области овладение принципиальными подходами к проведению системного анализа экосистем, основных приемов проведения системного анализа, знакомство с математическими моделями конкретных
ситуаций, возможностями выбора оптимального решения проблемы.
Примерный план работы
Введение.
Излагаются общие сведения об объекте исследования и методах проведения системного анализа и моделирования
На основании полученного задания (исходные данные) необходимо:
1. Рассчитать биоэнергетический потенциал территории (БЭПТ) и экологическую емкость (Э) агроэкосистемы с данным севооборотом. Привести значение БЭПТ и Э в среднем на 1 га севооборотной площади.
При расчете количества пожнивно-корневых остатков (ПКО) и побочной продукции пользоваться уравнениями регрессии.
2. На основании предложенного изменения одного из параметров плодородия почвы за определенный
период времени построить график и линию тренда, характеризующие дальнейшее состояние предложенного
параметра при существующем уровне антропогенного воздействия.
Охарактеризуйте полученные результаты и сделайте прогноз дальнейшего изменения предложенного параметра. Предложите мероприятия, направленные на его оптимизацию.
3. Пользуясь расчетным значением БЭПТ, определите оптимальное соотношение угодий на основе
энергетического потенциала территории и моделирования структуры угодий.
Предполагается, что моделируемая территория будет состоять из 2-х компонентов: пашни (агроландшафт с
предложенным севооборотом) и леса.
17
На основе двух любых модельных соотношений рассчитать БЭПТм для леса и пашни. Сначала графическим,
а затем расчетным путем определить оптимальное соотношение леса и пашни в изучаемом объекте при существующем уровне БЭПТ.
Дать оценку полученным результатам и предложить мероприятия для оптимизации структуры угодий в агроландшафтах.
4. Рассчитать баланс изъятия и поступления энергии в агроценозе (на основании предложенного севооборота)
Предложить и обосновать мероприятия по снижению количества отчуждаемой энергии из агроэкосистемы.
По предложенной форме рассчитать баланс веществ и энергии в измененном севообороте.
5. На основе ориентированных графов представить взаимодействие компонентов агроэкосистемы
6. Сформировать дерево целей при выполнении мероприятий по сохранению почвенного плодородия и
обеспечения устойчивости агроэкосистем
Выводы
На основании проведенной работы сделать выводы и предложить мероприятия по оптимизации угодий в агроэкосистемах.
18
5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
5.1. Литература
Основная:
1. Агроэкология / В.А.Черников, Р.М.Алексахин, А.В.Голубев и др.; Под ред. В.А.Черникова, А.И.Чекерес. – Т.
2. М.: Колос, 2004. – С. 258-292
2. Гирусов Э.Б., Бобылев С.Н. и др. Экология и экономика природопользования. Юнити, Москва, 1998, 455 с.
3. Чепурных Н.В., Новоселов А.Л. Планирование и прогнозирование природопользования. Интерпракс, Москва,
1995, 285 с
Рекомендуемая:
4. Гиляров А.М. Популяционная экология: Учеб. пособие.- Издательство МГУ, 1990. - 191 с.
5. Джефферс Дж. Введение в системный анализ: применение в экологии: Пер. с анг./ Перевод Логофета Д.О.- М.:
Мир, 1981.- 256с.
6. Литвак Ш.И. Системный подход к агрохимическим исследованиям. - М.: Агропромиздат, 1990. - 220 с.
7. Рюмина Е.В. Экологический фактор в экономико-экологических моделях. - М: Наука, 1980. - 168 с.
8. Пегов С.А., Хомяков П.М. Моделирование развития экологических систем. Л., Гидрометеоиздат, 1991
9. Петросян Л.А. и др. Теория игр: Учеб. пособие для ун-тов. - Высш. шк., Книжный дом “Университет”, 1998. 304 с.
10. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. пособие. — СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000 г. —
326 с
11. Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Математические модели биологических продукционных процессов.- М.: МГУ,
1993.- 302с.
19
12. Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа. - М.: Издательство механико-математического факультета МГУ, 1996. - 108 с.
13. Чепурных Н.В., Новоселов А.Л. Экономика и экология: развитие, катастрофы.- М.: Наука, 1996.- 271с.
14. Володин В.М. и др Методика определения экологической емкости и биоэнергетического потенциала территорий агроландшафта.-Курск.-2000.-36 с.
5.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Программы MS Office: Excel, Power Point, программные пакеты, разработанные на кафедре, Мультимедийные
лекции.
6. Материально-техническое обеспечение
Компьютерный класс. Мультимедийный проектор.
20
7. Реализация требований государственного стандарта
по специальности 320400 – агроэкология в дисциплине
“Системный анализ и основы моделирования экосистем”
Содержание требований
Государственного образовательного стандарта
Понятие о системах, современное состояние системных исследований
Автоматические системы управления, характеристика систем управления
Модели и моделирование
Физическое, математическое, аналоговое, цифровое, имитационное
моделирование
Методы оптимизации экосистем
Реализация требований
в темах курса: №№тем
Лекции
ЛПЗ
1,2,3,4
1,2,3,4
8,10
5,6,9,10,12,13
5,6,7
6,7,9,10
8,9,11,12,13,14
8,9,11,12,13,14
4,7,9,10
15,14,12,9,10
21
Рекомендуемая литература
1. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика : рекомендовано Минобразования РФ в
качестве учебного пособия для студентов вузов / В. Е. Гмурман. - 12-е изд., перераб. - М. : Юрайт, 2010. - 479 с
2. Киселева И.А. Моделирование эколого-экономических систем. Учебное пособие.- Москва: Евразийский
открытый институт, 2011.- 120 с. http://www.iprbookshop.ru/10790.html
3. Алексеенко В.Б., Красавина В.А. Основы системного анализа. -М: Российский институт дружбы народов, 2010.
172 с. http://www.iprbookshop.ru/11398.html
4. Абаимов А.П., Адамович В.В., Алсынбаев К.С., ред. Шумный В.К., Шокин Ю.И., Колчанов Н.А., Федотов А.М.
Биоразнообразие и динамика экосистем. Информационные технологии и моделирование :Новосибирск.
Сибирское отделение РАН, 2013. 648 с. http://www.iprbookshop.ru/15790.html