基于多目標(biāo)決策的流域森林管理決策系統(tǒng)（SFMDS）*

張水鋒，劉國(guó)良，彭徐劍

1.南京森林警察學(xué)院；2.南京加林系統(tǒng)工程技術(shù)有限公司

當(dāng)前的流域森林生態(tài)系統(tǒng)管理問(wèn)題非常復(fù)雜，影響生態(tài)系統(tǒng)功能的因素眾多，并在時(shí)空上相互交叉制約[1]。流域內(nèi)許多不同的利益相關(guān)方對(duì)流域森林管理的訴求各不相同，不同的群體有不同的指標(biāo)來(lái)衡量流域的狀況[2-5]。比如，野生動(dòng)物保護(hù)組織希望保留一些區(qū)域作為野生動(dòng)物生存環(huán)境；當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)希望維護(hù)一些區(qū)域的休閑運(yùn)動(dòng)健身環(huán)境；環(huán)保主義者可能會(huì)要求保護(hù)特定的生態(tài)系統(tǒng)。不同的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)大大增加了流域管理的復(fù)雜性，而更加復(fù)雜的是流域生態(tài)系統(tǒng)會(huì)隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化[6]。傳統(tǒng)的基于規(guī)則的森林生態(tài)系統(tǒng)管理已經(jīng)不能適應(yīng)流域生態(tài)管理的復(fù)雜性，更無(wú)法滿足流域森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展需求[7]。流域森林資源管理需以創(chuàng)建理想狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)為目標(biāo)，讓流域森林生態(tài)系統(tǒng)管理的各個(gè)目標(biāo)平衡協(xié)調(diào)才能實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展[8-10]。

在流域森林資源管理過(guò)程中，各種木材資源和非木材資源的組合問(wèn)題類(lèi)似于一個(gè)拼圖游戲[4,7]。若拼圖得當(dāng)，生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值均可以滿足并維持；若拼圖不當(dāng)，最低程度的損失是經(jīng)濟(jì)效益減少，而最壞的情況是無(wú)法完成拼圖，從而無(wú)法編制出一個(gè)平衡生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值可行的解決方案。流域森林資源經(jīng)營(yíng)斑塊的劃分與經(jīng)營(yíng)時(shí)間排序就像是在解決這個(gè)拼圖。經(jīng)營(yíng)時(shí)間排序問(wèn)題會(huì)因?yàn)閱?wèn)題的大小和約束條件的結(jié)構(gòu)而難以解決，甚至?xí)兊梅浅６啵胝业揭粋€(gè)好的解決辦法也會(huì)變得非常困難。使用傳統(tǒng)的優(yōu)化算法直接搜索不可能解決這些大型的非線性組合優(yōu)化問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)新的適用于流域森林生態(tài)系統(tǒng)多目標(biāo)管理協(xié)同功能的優(yōu)化算法[11-14]。傳統(tǒng)的基于經(jīng)營(yíng)規(guī)則的仿真模型僅能根據(jù)給定規(guī)則產(chǎn)生一些方案以及評(píng)估各個(gè)方案會(huì)產(chǎn)生的后果而沒(méi)有戰(zhàn)略優(yōu)化功能[13]。流域森林生態(tài)系統(tǒng)管理迫切需要面向目標(biāo)的管理方法和決策支持技術(shù)。因此，本文介紹了一種基于多目標(biāo)決策的流域森林管理決策系統(tǒng)（SFMDS）。

一、SFMDS簡(jiǎn)介

SFMDS是一個(gè)面向流域森林管理的生態(tài)多目標(biāo)決策技術(shù)，它使用近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的模擬退火算法。該算法可以綜合考慮所有流域生態(tài)系統(tǒng)的影響因子，以較快的速度優(yōu)化平衡流域生態(tài)系統(tǒng)各功能之間的關(guān)系，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)平衡協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展。該技術(shù)以人工智能為核心技術(shù)，并結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、GIS等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)樹(shù)種動(dòng)態(tài)模型、林分動(dòng)態(tài)模型、景觀模型的系統(tǒng)無(wú)縫結(jié)合，快速、科學(xué)地分析、規(guī)劃、管理森林，平衡協(xié)調(diào)森林的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)功能，為森林生態(tài)系統(tǒng)的多目標(biāo)系統(tǒng)管理和可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

二、SFMDS的設(shè)計(jì)理念

（1）在森林管理過(guò)程中，既關(guān)注每年能夠從森林中“獲得什么”，同時(shí)關(guān)注從生態(tài)、社會(huì)等多方面衡量是“什么樣的森林”。

（2）以面向目標(biāo)為森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃的方法，靈活機(jī)動(dòng)，避免了基于作業(yè)規(guī)則而造成的不理想森林，以及急轉(zhuǎn)彎和急剎車(chē)的規(guī)則而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)的不穩(wěn)定性。

（3）林分水平與景觀水平系統(tǒng)一體化，讓具體經(jīng)營(yíng)措施服務(wù)于景觀森林的多目標(biāo)可持續(xù)發(fā)展。

（4）同時(shí)考慮森林的現(xiàn)在與未來(lái)、局部與全局，平衡協(xié)調(diào)森林的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等功能。

三、SFMDS的設(shè)計(jì)原則

（1）SFMDS將同時(shí)進(jìn)行經(jīng)營(yíng)斑塊劃分和經(jīng)營(yíng)時(shí)間排序來(lái)達(dá)到木材和非木材目標(biāo)，而不按照嚴(yán)格的經(jīng)營(yíng)與營(yíng)林作業(yè)規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；

（2）SFMDS將在宏觀流域水平上對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行管理，其中采用的重要指標(biāo)包括齡組結(jié)構(gòu)以及斑塊大小分布；

（3）多個(gè)目標(biāo)層疊加形成的多邊形將是劃分經(jīng)營(yíng)斑塊的基礎(chǔ)，并且經(jīng)營(yíng)斑塊可以隨著時(shí)間的推移組合成提高與維持各種生態(tài)功能所需的齡組斑塊；

（4）SFMDS能夠產(chǎn)生靈活的策略，從而適應(yīng)自然災(zāi)害及其他不確定性；

（5）SFMDS包含目標(biāo)權(quán)重從而能夠通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)控制如何快速和嚴(yán)格的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；

（6）SFMDS包含多種處理方案以便隨著時(shí)間推移模擬多種循環(huán)過(guò)程；

（7）按照年度安排策略以便選擇任何一個(gè)報(bào)告期（1年、5年、10年等）。

四、SFMDS的技術(shù)特點(diǎn)

（一）多目標(biāo)管理驅(qū)動(dòng)

多目標(biāo)管理驅(qū)動(dòng)徹底改變了傳統(tǒng)上以規(guī)則為驅(qū)動(dòng)力的管理方法，可以實(shí)現(xiàn)在管理森林的同時(shí)，有計(jì)劃有步驟地提高各種生態(tài)系統(tǒng)功能。SFMDS根據(jù)人們?cè)跁r(shí)空尺度上對(duì)森林的不同需求，在保證木材生產(chǎn)的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮各種生態(tài)功能，同時(shí)兼顧近期與長(zhǎng)期目標(biāo)，兼顧各個(gè)地區(qū)與全局目標(biāo)，整個(gè)系統(tǒng)由各目標(biāo)層疊加形成，如圖1所示。

圖1 各目標(biāo)層疊加形成

（二）人工智能優(yōu)化算法與云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用

SFMDS采用了模擬退火算法技術(shù)。該算法可以同時(shí)考慮不同管理目標(biāo)之間，不同地域之間，甚至不同時(shí)間之間的相互影響，并根據(jù)人們對(duì)各目標(biāo)的需求程度，對(duì)不同的管理措施進(jìn)行模擬分析比較，自動(dòng)選取出能最大程度實(shí)現(xiàn)各目標(biāo)的最佳管理措施，如圖2所示。

圖2 SFMDS算法的優(yōu)化表現(xiàn)

SFMDS的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)行管理都統(tǒng)一在云端進(jìn)行，這不僅可以保障系統(tǒng)的運(yùn)行速度，還具有更高的安全性。用戶可以隨時(shí)隨地在任何一臺(tái)能夠聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備上進(jìn)行操作，免去了麻煩的安裝過(guò)程，這為用戶帶來(lái)了極大的方便。

（三）中短期戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃和長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃于一體

SFMDS將戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃與戰(zhàn)略規(guī)劃融于一體。如圖3所示，在同一個(gè)分析方案中，SFMDS可以提取出給定流域幾百年、二十年或五年的規(guī)劃方案，因?yàn)镾FMDS對(duì)幾百年規(guī)劃周期的經(jīng)營(yíng)斑塊劃分和時(shí)間排序同時(shí)進(jìn)行，可以優(yōu)化權(quán)衡長(zhǎng)期和短期之間的關(guān)系。決策者可以根據(jù)實(shí)際需求，隨時(shí)調(diào)整短期的戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃，確保管理目標(biāo)始終朝著理想狀態(tài)不斷發(fā)展。

圖3 SFMDS戰(zhàn)略規(guī)劃與戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃相結(jié)合

五、總結(jié)

綜上所述，SFMDS使用人工智能和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)森林近期、中期與長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)規(guī)劃的一體化，同時(shí)采取靈活機(jī)動(dòng)的戰(zhàn)略措施以應(yīng)對(duì)各種不確定因素，避免急剎車(chē)或者急拐彎似的動(dòng)蕩；使用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以從影響森林經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的成千上萬(wàn)的變量中找到接近最佳的解決方案，使復(fù)雜的森林多目標(biāo)管理問(wèn)題簡(jiǎn)單化；支持云計(jì)算，統(tǒng)一在云端運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)操作，利用云端的計(jì)算資源，可以在短時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行上億次的迭代，進(jìn)而找到接近最佳的解決方案；從數(shù)量、質(zhì)量、時(shí)間、空間多維規(guī)劃管理森林，將合適的管理措施直接落實(shí)到具體位置上，便于核查監(jiān)督與管護(hù)；使用操作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可應(yīng)用于森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃和仿真教學(xué)。它使復(fù)雜的多目標(biāo)森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃變得容易，可自動(dòng)生成經(jīng)營(yíng)方案。