Многофакторная динамическая модель взаимодействия общества и природы Дж. Форрестера

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

Кафедра «Экологии промышленных зон и акваторий»

 

 

 

 

 

Курсовая работа по предмету:

Методология.

на тему:

«Многофакторная динамическая модель взаимодействия общества и природы Дж. Форрестера».

 

 

Выполнил: студент гр.2340 Афанасьев С. С.                                               

                                                                                       Проверил: доцент  Черкаев Г.В.

 

 

 

Санкт-Петербург

2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС В СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ГЛОБАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ И ЕЕ СУЩНОСТЬ

    1.1. Причины создания модели глобального развития

    1.2. Представление социальных систем с точки зрения Дж. Форрестера

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ  ГЛОБАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ

    2.1. Модели глобального развития ″Мир 2″

    2.2. Попытки усовершенствования модели глобального развития ″Мир 2″

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

        В 60-е годы Римский клуб, группа компетентных специалистов, созданная специально для изучения перспектив человечества, предупредил мир о стремительно надвигающемся кризисе мировой цивилизации. Темпы использования природных ресурсов в ХХ веке достигли таких масштабов, что их запасы, накопленные за миллиарды лет геологической эволюции Земли, могут быть полностью исчерпаны в ближайшие 100 - 150 лет. Планета Земля, казавшаяся еще в прошлом веке необъятной, вдруг оказалась слишком маленькой для европейской технологической цивилизации  

          Модель мировой системы ″Мир 2″, созданная учеными Римского клуба, под руководством Джея Форрестера (далее Дж. Форрестер) и изложенная в его книге "Мировая динамика", включала пять параметров: численность населения, ресурсы, питание (количество пищи на одного человека в год), фонды (объем промышленного производства рассчитанный на одного человека) и загрязнение окружающей среды. Для каждого из этих параметров было составлено уравнение, где в левой части стоит скорость изменения данного параметра, а в правой - причины его изменения.

           Первый вопрос, на который искал ответ Римский клуб: что ожидает человеческую цивилизацию, если, полагаясь на волю господню, пустить все на самотек и позволить мировой системе развиваться неуправляемо, - т.е. так, как это происходило до сих пор? Ответ, данный вычислительной машиной, подтвердил мрачные предсказания древних эсхатологов: ресурсы резко уменьшаются, промышленное производство растет до 2000-2010 года, а затем оно резко падает, опускаясь к 2050 году почти до уровня 1900 года; уровень питания также вначале растет, но затем падает значительно ниже уровня 1900 года. Загрязнение, начиная с первых десятилетий ХХI века стремительно возрастает, достигая максимума, примерно, к 2050 году, а затем также резко падает, - планета очищается от загрязнений, вызванных человеком, просто сбрасывая с себя обременительную технологическую цивилизацию. Население будет расти где-то до середины XXI века, а затем начнет быстро уменьшаться, так как уровень промышленного производства и питания, прогнозируемый моделью, не способен обеспечить всем необходимым огромное население планеты, выросшее в условиях технологической цивилизации. Вместе с технологической цивилизацией, как формой существования разумной жизни, планета начнет сбрасывать с себя и само человечество. Грязный воздух, отравленная вода, кислотные дожди, эпидемии, а затем голод и войны за ресурсы и питание будут уносить миллионы жизней в день, пока не установится равновесие.

        Целью  данного исследования является  изучение динамической модели взаимодействия общества и природы Дж. Форрестера.

        Задачами  данного исследования являются:

1) раскрыть причины создания  модели глобального развития;

2) раскрыть   представление   социальных    систем с точки зрения Дж. Форрестера  на основе его книги  ″Мировая динамика″;

3) изучение модели глобального  развития ″Мир 2″;

4) ознакомление  с   попытками   усовершенствования   модели    глобального развития  ″Мир 2″ другими учеными.

 

 

1. Исторический  экскурс в создание модели  глобального развития и ее сущность

        1.1 Причины создания модели глобального развития

        В 1968 г. по инициативе Аурелио Печчеи1 (общественного деятеля и бизнесмена, тогда входившего в руководство фирмы "Оливетти") был создан Римский клуб – неправительственная организация ученых, предпринимателей, общественных деятелей. Клуб был создан с целью анализа и поиска решений глобальных проблем. С самого начала существования Клуба его задачей стало привлечение внимание широкой общественности к накопившимся глобальным проблемам. Довольно быстро члены Клуба осознали, что наилучшей формой достижения подобной цели было бы создание и использование математических моделей. Это позволило бы, с их точки зрения, представить существующие проблемы в наиболее объективном ракурсе и поставить их в центр внимания всего общества.

        В июне 1970 г. на заседании в Берне Римский клуб предложил профессору МТИ, руководителю группы системной динамики Дж. Форрестеру разработать модель глобального развития.

        Уже через 4 недели тот представил примитивную модель, грубо имитирующую основные процессы мировой системы. Эта модель получила название "Мир-1". Последующая доработка и отладка привела к появлению так называемой модели "Мир-2". Именно ее мы и рассмотрим подробнее. Описание самой модели, анализ полученных результатов и выводы были опубликованы в книге "Мировая динамика"2, увидевшей свет в 1971 г. Кратко изложим саму модель.

1.2 Представление социальных систем с точки зрения Дж. Форрестера

        Социальные системы, с точки зрения. Ф., принадлежат к классу сложных контринтуитивных нелинейных систем с многочисленными цепями обратной связи. Человек не может постичь того, как функционируют социальные системы, или четко проследить всевозможные следствия, вытекающие из неполной, смутной, неточно сформулированной мыслительной модели. Бесплодны, подчеркивает Ф., любые попытки традиционного теоретического осмысления и практического решения насущных проблем выходящей из-под контроля цивилизации. Ф. развивает идею У.Р. Эшби о необходимости использования кибернетического усилителя мыслительных способностей человека при анализе указанных процессов.

        В «Мировой динамике» Ф. предлагает, по его собственному определению, учебную, предварительную, методическую модель мира. Мир представляется им как единое целое, сложная система различных взаимосвязанных уровней (шести фазовых переменных): населения, фондов в промышленности, фондов в сельском хозяйстве, природных ресурсов, загрязнения окружающей среды и времени. Абсолютными величинами являются, с точки зрения Форестера, количество населения и время.

        Ф. формулирует основные идеи теории «пределов роста». Упрощенно отображая реальную мировую экономическую ситуацию, Ф. предлагает модель не экономического развития, а экстенсивного роста. Эксперименты с указанной моделью позволяют Ф. сделать вывод о том, что экстенсивный рост не может продолжаться бесконечно, т.к. имеет «физические пределы» и противоречив по своему характеру. Природные ресурсы не способны возрастать, количество земель, пригодных для сельскохозяйственной обработки, ограничено; урожайность, экономия сырья и материалов возрастают в арифметической прогрессии, в то время как население, потребление и загрязнение среды — в геометрической. Пик жизненного уровня был необратимо пройден человечеством в сер. 1960-х гг При сохранении экспоненциального характера роста основных параметров экономического организма в середине следующего столетия неизбежен кризис во взаимоотношениях общества и природы. Инерционность биосферных процессов пока скрывает масштаб приближающегося кризиса, в ходе которого, по прогнозам Ф., три четверти населения Земли вымрет «естественной» смертью от голода, эпидемий и загрязнения среды. Катастрофические изменения произойдут в жизни ближайших поколений. «Отсрочка» катастрофы возможна на 20—30 лет, при условии изменения предельной численности населения.

        Ф. рассматривает функционирование мировой системы как стихийный процесс, любое сознательное вмешательство в который представляется им как фактор, дестабилизирующий устойчивость системы. При выборе альтернатив будущего развития человечества между деградацией социума и среды и тотальной регламентацией рождаемости, темпов потребления и производства, ставящих под сомнение саму возможность личной свободы, Ф. отдает предпочтение иному варианту. Разрешение сложившейся ситуации Ф. понимает, по аналогии с эволюцией естественных популяций, как самовыход общества из кризиса в результате перехода на некоторый более высокий равновесный уровень. Главный вывод Ф. состоит в необходимости согласования человеческой деятельности с возможностями биосферы. Равновесное функционирование общества достигается через стабилизацию численности населения, при которой используются усовершенствованные механизмы планирования, и через применение новых технологий, способствующих компенсации загрязнения естественной самоочисткой среды.

 

2. Разработка моделей глобального развития

        2.1 Модели глобального развития Мир 1 и Мир 2

        Модель Форрестера построена на основании принципов системной динамики – метода изучения сложных систем с нелинейными обратными связями, который до этого сам Форрестер со своими сотрудниками разрабатывал с конца 50-х годов. Аналитические основы построения модели, предназначенной для имитации мировых процессов, были рассмотрены в его предыдущих работах, посвященных изучению промышленных и урбанизированных систем3. Качественный скачок заключался лишь в том, чтобы перейти от подобных микросистем к глобальной макросистеме.

        Метод системной динамики предполагает, что для основных фазовых переменных (так называемых системных уровней) пишутся дифференциальные уравнения одного и того же типа:

                                                                                                                                            (1.1)

где y+ – положительный темп скорости переменной y, включающий в себя все факторы, вызывающие рост переменной y; y− − отрицательный темп скорости, включающий в себя все факторы, вызывающие убывание переменной y.

        Предполагается, что эти темпы расщепляются на произведение функций, зависящих только от "факторов" – комбинаций основных переменных, т.е., в свою очередь, самих являющихся функциями системных уровней:

y± = g(y1, y2,…, yn) = f(F1, F2,…, Fk) = f1(F1) f2(F2) … fk(Fk),                  (1.2)

где Fj = g (yi1,…,yim) - факторы, причем m = m(j) < n, k = k(j) < n (число уровней). Т.е. факторов меньше, чем основных переменных, и каждый фактор зависит не от всех системных уровней, а только от какой-то их части. Это позволяет упростить задачу моделирования.

        Непосредственно моделирование мировой динамики проводилось Форрестером поэтапно. Основные этапы таковы.

        Первый  этап – концептуализация, т.е. выделение главного. На этом этапе выделялись наиболее существенные, на взгляд Форрестера, мировые процессы, такие как: 1) быстрый рост населения;

2) индустриализация и  связанный с ней промышленный  рост;

3) нехватка пищи;

4) рост отходов производства;

5) нехватка ресурсов.

Отсюда основные переменные (системные уровни):

1)     население P;

2)     основные  фонды K;

3)     доля фондов  в сельском хозяйстве (т.е. в отрасли  обеспечения пищей) X;

4)     уровень загрязнения (или просто загрязнение) Z;

5)     количество  невозобновляемых (невосстановимых) природных  ресурсов R.

А также факторы, через которые и осуществляется взаимовлияние переменных при построении дифференциальных уравнений:

• относительная численность населения PP (население, нормированное на его численность в 1970 году);
• удельный капитал KP;
• материальный уровень жизни C;
• относительный уровень питания (количество пищи на человека) F;
• нормированная величина удельного капитала в сельском хозяйстве XP;
• относительное загрязнение ZS;
• доля остающихся ресурсов RR.

        Помимо перечисленных переменных, Форрестер ввел еще понятие о "качестве жизни" Q. Этот фактор является своего рода мерой функционирования исследуемой системы, т.е. носит характер индикатора. Зависит этот индикатор от четырех факторов PP, C, F, ZS:

Q = QC QF QP QZ.                                                                                           (1.3)

        В целом он не играет существенной роли в модели, поэтому, в дальнейшем не рассматривается.

        Следует  обратить внимание также и  на единицы измерения основных переменных. Население естественно оценивать числом людей, доля фондов в сельском хозяйстве – безразмерная величина между 0 и 1. Выбор единиц для фондов, загрязнения и ресурсов осуществлялся привязкой к базовому году. Единицей капитала считается условная величина – капитал, приходящийся на душу населения в 1970 г.; единицей ресурсов считается их годовое потребление в 1970 г.; за единицу загрязнения принимается условная величина – загрязнение, приходящееся на одного человека в 1970 году.