|
DOI: 10.14489/vkit.2021.01.pp.003-016
Переварюха А. Ю.
ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕДИКАТИВНО-ПЕРЕОПРЕДЕЛЯЕМЫХ СТРУКТУР ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВАРИАТИВНОГО РАЗВИТИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
(с. 3-16)
Аннотация. Разработан метод организации вычислительных структур с применением расширенного формализма гибридных автоматов для моделирования трансформаций в экосистемных процессах. Метод предусматривает анализ сценариев с управлением по правилам, эмулирующим принципы экспертного регулирования. В основе гибридной модели лежат дифференциальные уравнения, решаемые в логическом порядке на смежных интервалах времени внутри специальных кадров. Значения предикатов обусловливают динамические переопределения в правых частях системы уравнений. Условия истинности предикатов верифицируются из расчета дополнительных характеристик и приводят к структурным перестроениям. Значения y включенных функций-триггеров отличны от нейтрального только в определенных специальным образом узких диапазонах пространства характеристик процесса. Пределы функций и их область значений исходят из характеристик моделируемой биосистемы при данном уровне воздействия. Подход позволил рассчитать важные качественные изменения в сценариях при экспертном управлении биоресурсами, когда реализуются касательные бифуркации или граничный кризис аттрактора. Получены вычислительные сценарии вариантов для динамики реальных экстремальных биологических процессов.
Ключевые слова: вариативность развития ситуаций экодинамики; предикативные вычислительные структуры; гибридные автоматы; имплементация триггерных функций; иерархия интервалов времени; управление биоресурсами; моделирование нелинейных эффектов; сценарные модели экосистем; кризис аттрактора.
Perevaryukha A. Yu.
APPLICATION OF PREDICATIVE-REDEFINABLE STRUCTURES FOR MODELING A VARIATIVE DEVELOPMENT OF BIOLOGICAL PROCESSES
(pp. 3-16)
Abstract. In the article we considered a new original method of organizing hybrid computing structures for simulating abrupt changes in controlled natural processes and analyzing extreme environmental phenomena. Our Method uses systems of differential equations on adjacent intervals of hybrid time with a dynamically redefined right-hand side at special moments – events. Transition conditions for such events are obtained by calculating the equations for additional characteristics. Threshold states in the dynamics of the process become a consequence of the inclusion of trigger functions. Their values on the right-hand side specifically differ from neutral only in narrow space ranges of the changing characteristics of the hybrid system, for example, initial conditions. The limits of the functions and their range of values proceed from the essence of the nonlinear effects of the biosystem we are modeling under this effect. The approach allows realizing current qualitative changes in control scenarios – such as bifurcations or the boundary crisis of an attractor. The author has investigated computational scenarios for such different processes as the collapse of fish stocks in the case of the Northern Atlantic cod and rapid outbreak of the forest pests in Australia. The outbreak of insects in the hybrid model ends spontaneously with the threshold for the exhaustion of forest resources, with a transition to ordinary for the environent fluctuations of the pest. The practical novelty of our modeling of the outbreak of pests is that extreme phenomenon in the script ends spontaneously according to the internal logic of the process. In this method, we do not need to include a change in parameters from external factors that causes a stop in reproductive activity. Similarly, the epidemic of viruses ends in the formation of collective immunity. The functions of the trigger action will allow targeted bifurcation and change the position of the extremes of dependence. The method is successfully applied to the analysis of situations of collapse of biological resources – quick and unexpected degradation of fish stocks for specialists, which is not replaced by restoration contrary to statistical forecasts. The technique is further generalized to describe a wide range of extreme processes with changes in biological systems.
Keywords: Variability of development situations in ecodynamics; Predicative computational structures; Hybrid automata; Implementation of trigger functions; Hierarchy of time intervals; Biological resource management; Modeling of nonlinear effects; Scenario models of ecosystems; Attractor in crisis.
А. Ю. Переварюха (Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН, Санкт-Петербург, Россия) E-mail:
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
A. Yu. Perevaryukha (St. Petersburg Institute for Informatics and Automation of Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russia) E-mail:
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
1. Крючков Д. И., Залазинский А. Г. Гибридный моделирующий комплекс для оптимизации процессов прессования неоднородных материалов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2013. № 9. С. 22 – 28.
2. Переварюха А. Ю. Гибридные модели в задаче анализа динамики промысловых популяций // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2008. № 3. С. 23 – 28.
3. Brooks E. N., Powers J. E. Generalized Compensation in Stock-recruit Functions: Properties and Implications for Management // ICES Journal of Marine Science. 2007. V. 64. P. 413 – 424.
4. Jørgensen C., Holt E. Natural Mortality: Its Ecology, How it Shapes Fish Life Histories, and Why it May be Increased by Fishing // Journal of Sea Research. 2013. V. 75. P. 8 – 18.
5. Форенталь М. В. Численное решение задачи пенетрации металлической преграды в гибридной формулировке // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2009. № 12(66). С. 29 – 34.
6. Михайлов В. В., Решетников Ю. С. Модель динамики популяции рыб с расчетом темпов роста особей и сценариев гидрологической обстановки // Информационно-управляющие системы. 2018. № 4. С. 31 – 38.
7. Evans A. F., Collis K. Relationship Between Juvenile Fish Condition and Survival to Adulthood in Steelhead // Transactions of the American Fisheries Society. 2014. V. 143. P. 899 – 909.
8. da Costa M.R., Almeida A. Length-based Estimates of Growth Parameters and Mortality Rates of Fish Populations from a Coastal Zone in the Southeastern Brazil // Zoologia. 2018. V. 35.
9. Ricker W. Stock and Recruitment // J. Fisheries Research Board. 1954. V. 11. P. 559 – 623.
10. Veshchev P. V., Guteneva G. I. Efficiency of Natural Reproduction of Sturgeons in the Lower Volga under Current Conditions // Russian Journal of Ecology. 2012. V. 43, No. 2. P. 142 – 147.
11. Roughgarden J., Smith F. Why Fisheries Collapse and What to Do About it // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. V. 93. P. 5078 – 5083.
12. Singer D. Stable Orbits and Bifurcations of the Maps on the Interval // SIAM Journal of Applied Math. 1978. V. 35. P. 260 – 268.
13. Feigenbaum M. J. The Transition to Aperiodic Behavior in Turbulent Systems // Communications in Mathematical Physics. 1980. V. 77, No. 1. P. 65 – 86.
14. Guckenheimer J. Sensitive Dependence on Initial Conditions for One Dimensional Maps // Comm. Mathem. Physics. 1979. V. 70. P. 133 – 160.
15. Anatomy of an Outbreak: the Biology and Population Dynamics of a Cardiaspina Psyllid Species in an Endangered Woodland Ecosystem / A. A. G. Hall et al. // Agricultural and Forest Entomology. 2015. V. 17, No. 3. P. 292 – 302.
16. Walter G. H., Hengeveld R. Autecology: Organisms, Interactions and Environmental Dynamics. CRC Press, 2014. 484 c.
17. Perevaryukha A. Yu. A Model of Development of a Spontaneous Outbreak of an Insect with Aperiodic Dynamics // Entomological Review. 2015. V. 95, No. 3. P. 397 – 405.
18. Perevaryukha A. Yu. Modeling Abrupt Changes in Population Dynamics with Two Threshold States // Cybernetics and Systems Analysis. 2016. Т. 52, No. 4. P. 623 – 630.
19. Борисова Т. Ю., Соловьева И. В. Проблемные аспекты моделирования популяционных процессов и критерии их согласования // Математические машины и системы. 2017. № 1. С. 71 – 81.
20. Переварюха А. Ю. Нелинейные эффекты и переходные режимы в динамике новых моделей управления биоресурсами // Тр. СПИИРАН. 2011. № 1. С. 243 – 255.
21. Суперкомпьютерное моделирование процессов биоремедиации нефтяного разлива в мелководном водоеме / А. И. Сухинов, А. Е. Чистяков, А. А. Филина, А. В. Никитина // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2019. № 6. С. 47 – 56.
22. Предсказательное моделирование заморных явлений в мелководных водоемах / А. И. Сухинов, А. Е. Чистяков, Т. В. Лященко, А. В. Никитина // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2017. № 1. С. 3 – 9.
23. Яцишин А. В., Михайлов В. В. Разработка, верификация и сценарные эксперименты в агрегированной модели трофодинамики крупного водоема // Математические машины и системы. 2019. № 2. С. 90 – 100.
1. Kryuchkov D. I., Zalazinskiy A. G. (2013). Hybrid modeling complex for optimization of pressing processes of heterogeneous materials. Vestnik komp'yuternyh i informatsionnyh tekhnologiy, (9), pp. 22 – 28. [in Russian language]
2. Perevaryuha A. Yu. (2008). Hybrid models in the problem of analyzing the dynamics of commercial populations. Vestnik komp'yuternyh i informatsionnyh tekhnologiy, (3), pp. 23 – 28. [in Russian language]
3. Brooks E. N., Powers J. E. (2007). Generalized Compensation in Stock-recruit Functions: Properties and Implications for Management. ICES Journal of Marine Science, Vol. 64, pp. 413 – 424.
4. Jørgensen C., Holt E. (2013). Natural Mortality: Its Ecology, How it Shapes Fish Life Histories, and Why it May be Increased by Fishing. Journal of Sea Research, Vol. 75, pp. 8 – 18.
5. Forental' M. V. (2009). Numerical solution of the problem of penetration of a metal barrier in a hybrid formulation. Vestnik komp'yuternyh i informatsionnyh tekhnologiy, 66(12), pp. 29 – 34. [in Russian language]
6. Mihaylov V. V., Reshetnikov Yu. S. (2018). Model of fish population dynamics with calculation of growth rates of individuals and scenarios of hydrological conditions. Informatsionno-upravlyayushchie sistemy, (4), pp. 31 – 38. [in Russian language]
7. Evans A. F., Collis K. (2014). Relationship Between Juvenile Fish Condition and Survival to Adulthood in Steelhead. Transactions of the American Fisheries Society, Vol. 143, pp. 899 – 909.
8. da Costa, Almeida A. (2018). Length-based Estimates of Growth Parameters and Mortality Rates of Fish Populations from a Coastal Zone in the Southeastern Brazil. Zoologia, Vol. 35.
9. Ricker W. (1954). Stock and Recruitment. Journal of the Fisheries Research Board, Vol. 11, pp. 559 – 623.
10. Veshchev P. V., Guteneva G. I. (2012). Efficiency of Natural Reproduction of Sturgeons in the Lower Volga under Current Conditions. Russian Journal of Ecology, Vol. 43, (2), pp. 142 – 147.
11. Roughgarden J., Smith F. (1996). Why Fisheries Collapse and What to Do About it. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 93, pp. 5078 – 5083.
12. Singer D. (1978). Stable Orbits and Bifurcations of the Maps on the Interval. SIAM Journal on Applied Mathematics, Vol. 35, pp. 260 – 268.
13. Feigenbaum M. J. (1980). The Transition to Aperiodic Behavior in Turbulent Systems. Communications in Mathematical Physics, Vol. 77, (1), pp. 65 – 86.
14. Guckenheimer J. (1979). Sensitive Dependence on Initial Conditions for One Dimensional Maps. Communications in Mathematical Physics, Vol. 70, pp. 133 – 160.
15. Hall A. A. G. et al. (2015). Anatomy of an Outbreak: the Biology and Population Dynamics of a Cardiaspina Psyllid Species in an Endangered Woodland Ecosystem. Agricultural and Forest Entomology, Vol. 17, (3), pp. 292 – 302.
16. Walter G. H., Hengeveld R. (2014). Autecology: Organisms, Interactions and Environmental Dynamics. CRC Press.
17. Perevaryukha A. Yu. (2015). A Model of Development of a Spontaneous Outbreak of an Insect with Aperiodic Dynamics. Entomological Review, Vol. 95, (3), pp. 397 – 405.
18. Perevaryuha A. Yu. (2016). Modeling Abrupt Changes in Population Dynamics with Two Threshold States. Cybernetics and Systems Analysis, Vol. 52, (4), pp. 623 – 630.
19. Borisova T. Yu., Solov'eva I. V. (2017). Problematic aspects of modeling population processes and criteria for their agreement. Matematicheskie mashiny i sistemy, (1), pp. 71 – 81. [in Russian language]
20. Perevaryuha A. Yu. (2011). Nonlinear effects and transient modes in the dynamics of new models of bioresource management. Trudy SPIIRAN, (1), pp. 243 – 255. [in Russian language]
21. Suhinov A. I., Chistyakov A. E., Filina A. A., Nikitina A. V. (2019). Supercomputer modeling of oil spill bioremediation in shallow water. Vestnik komp'yuternyh i informatsionnyh tekhnologiy, (6), pp. 47 – 56. [in Russian language] DOI: 10.14489/vkit.2019.06.pp.047-056
22. Suhinov A. I., Chistyakov A. E., Lyashchenko T. V., Nikitina A. V. (2017). Predictive modeling extinction phenomena in shallow waters. Vestnik komp'yuternyh i informatsionnyh tekhnologiy, (1), pp. 3 – 9. [in Russian language] DOI: 10.14489/vkit.2017.01.pp.003-009
23. Yatsishin A. V., Mihaylov V. V. (2019). Development, verification and scenario experiments in an aggregated model of trophodynamics of a large reservoir. Matematicheskie mashiny i sistemy, (2), pp. 90 – 100. [in Russian language]
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 450 руб. (в том числе НДС 18%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/vkit.2021.01.pp.003-016
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 450 rubles. (including VAT 18%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/vkit.2021.01.pp.003-016
and fill out the form
.
|
Архив номеров
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»