基于多目標決策的流域森林管理決策系統(tǒng)（SFMDS）*

張水鋒，劉國良，彭徐劍

1.南京森林警察學院；2.南京加林系統(tǒng)工程技術有限公司

當前的流域森林生態(tài)系統(tǒng)管理問題非常復雜，影響生態(tài)系統(tǒng)功能的因素眾多，并在時空上相互交叉制約[1]。流域內(nèi)許多不同的利益相關方對流域森林管理的訴求各不相同，不同的群體有不同的指標來衡量流域的狀況[2-5]。比如，野生動物保護組織希望保留一些區(qū)域作為野生動物生存環(huán)境；當?shù)厣鐓^(qū)希望維護一些區(qū)域的休閑運動健身環(huán)境；環(huán)保主義者可能會要求保護特定的生態(tài)系統(tǒng)。不同的價值標準大大增加了流域管理的復雜性，而更加復雜的是流域生態(tài)系統(tǒng)會隨著時間動態(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)不能適應流域生態(tài)管理的復雜性，更無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，讓流域森林生態(tài)系統(tǒng)管理的各個目標平衡協(xié)調才能實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展[8-10]。

在流域森林資源管理過程中，各種木材資源和非木材資源的組合問題類似于一個拼圖游戲[4,7]。若拼圖得當，生態(tài)價值和經(jīng)濟價值均可以滿足并維持；若拼圖不當，最低程度的損失是經(jīng)濟效益減少，而最壞的情況是無法完成拼圖，從而無法編制出一個平衡生態(tài)價值和經(jīng)濟價值可行的解決方案。流域森林資源經(jīng)營斑塊的劃分與經(jīng)營時間排序就像是在解決這個拼圖。經(jīng)營時間排序問題會因為問題的大小和約束條件的結構而難以解決，甚至會變得非常多，想找到一個好的解決辦法也會變得非常困難。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)化問題，需要設計新的適用于流域森林生態(tài)系統(tǒng)多目標管理協(xié)同功能的優(yōu)化算法[11-14]。傳統(tǒng)的基于經(jīng)營規(guī)則的仿真模型僅能根據(jù)給定規(guī)則產(chǎn)生一些方案以及評估各個方案會產(chǎn)生的后果而沒有戰(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的管理方法和決策支持技術。因此，本文介紹了一種基于多目標決策的流域森林管理決策系統(tǒng)（SFMDS）。

一、SFMDS簡介

SFMDS是一個面向流域森林管理的生態(tài)多目標決策技術，它使用近年來受到國內(nèi)外廣泛關注的模擬退火算法。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)各功能之間的關系，促進生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟平衡協(xié)調的可持續(xù)發(fā)展。該技術以人工智能為核心技術，并結合云計算、大數(shù)據(jù)、GIS等技術，可以實現(xiàn)樹種動態(tài)模型、林分動態(tài)模型、景觀模型的系統(tǒng)無縫結合，快速、科學地分析、規(guī)劃、管理森林，平衡協(xié)調森林的經(jīng)濟、社會與生態(tài)功能，為森林生態(tài)系統(tǒng)的多目標系統(tǒng)管理和可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

二、SFMDS的設計理念

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

（2）以面向目標為森林經(jīng)營規(guī)劃的方法，靈活機動，避免了基于作業(yè)規(guī)則而造成的不理想森林，以及急轉彎和急剎車的規(guī)則而導致的經(jīng)濟、生態(tài)和社會的不穩(wěn)定性。

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

（4）同時考慮森林的現(xiàn)在與未來、局部與全局，平衡協(xié)調森林的生態(tài)、經(jīng)濟、社會等功能。

三、SFMDS的設計原則

（1）SFMDS將同時進行經(jīng)營斑塊劃分和經(jīng)營時間排序來達到木材和非木材目標，而不按照嚴格的經(jīng)營與營林作業(yè)規(guī)則來實現(xiàn)目標；

（2）SFMDS將在宏觀流域水平上對流域生態(tài)系統(tǒng)進行管理，其中采用的重要指標包括齡組結構以及斑塊大小分布；

（3）多個目標層疊加形成的多邊形將是劃分經(jīng)營斑塊的基礎，并且經(jīng)營斑塊可以隨著時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，從而適應自然災害及其他不確定性；

（5）SFMDS包含目標權重從而能夠通過調節(jié)來控制如何快速和嚴格的實現(xiàn)目標；

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

（7）按照年度安排策略以便選擇任何一個報告期（1年、5年、10年等）。

四、SFMDS的技術特點

（一）多目標管理驅動

多目標管理驅動徹底改變了傳統(tǒng)上以規(guī)則為驅動力的管理方法，可以實現(xiàn)在管理森林的同時，有計劃有步驟地提高各種生態(tài)系統(tǒng)功能。SFMDS根據(jù)人們在時空尺度上對森林的不同需求，在保證木材生產(chǎn)的基礎上同時考慮各種生態(tài)功能，同時兼顧近期與長期目標，兼顧各個地區(qū)與全局目標，整個系統(tǒng)由各目標層疊加形成，如圖1所示。

圖1 各目標層疊加形成

（二）人工智能優(yōu)化算法與云計算技術應用

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

圖2 SFMDS算法的優(yōu)化表現(xiàn)

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

（三）中短期戰(zhàn)術規(guī)劃和長期戰(zhàn)略規(guī)劃于一體

SFMDS將戰(zhàn)術規(guī)劃與戰(zhàn)略規(guī)劃融于一體。如圖3所示，在同一個分析方案中，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，因為SFMDS對幾百年規(guī)劃周期的經(jīng)營斑塊劃分和時間排序同時進行，可以優(yōu)化權衡長期和短期之間的關系。決策者可以根據(jù)實際需求，隨時調整短期的戰(zhàn)術規(guī)劃，確保管理目標始終朝著理想狀態(tài)不斷發(fā)展。

圖3 SFMDS戰(zhàn)略規(guī)劃與戰(zhàn)術規(guī)劃相結合

五、總結

綜上所述，SFMDS使用人工智能和目標驅動，真正實現(xiàn)森林近期、中期與長期經(jīng)營規(guī)劃的一體化，同時采取靈活機動的戰(zhàn)略措施以應對各種不確定因素，避免急剎車或者急拐彎似的動蕩；使用人工智能和大數(shù)據(jù)技術，可以從影響森林經(jīng)營目標的成千上萬的變量中找到接近最佳的解決方案，使復雜的森林多目標管理問題簡單化；支持云計算，統(tǒng)一在云端運行，實現(xiàn)了跨平臺操作，利用云端的計算資源，可以在短時間內(nèi)，進行上億次的迭代，進而找到接近最佳的解決方案；從數(shù)量、質量、時間、空間多維規(guī)劃管理森林，將合適的管理措施直接落實到具體位置上，便于核查監(jiān)督與管護；使用操作簡單，功能強大，可應用于森林經(jīng)營規(guī)劃和仿真教學。它使復雜的多目標森林經(jīng)營規(guī)劃變得容易，可自動生成經(jīng)營方案。