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；當地社區(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)價值和經濟價值可行的解決方案。流域森林資源經營斑塊的劃分與經營時間排序就像是在解決這個拼圖。經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)的基于經營規(guī)則的仿真模型僅能根據給定規(guī)則產生一些方案以及評估各個方案會產生的后果而沒有戰(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、大數據、GIS等技術，可以實現樹種動態(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）同時考慮森林的現在與未來、局部與全局，平衡協(xié)調森林的生態(tài)、經濟、社會等功能。

三、SFMDS的設計原則

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

（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營斑塊的基礎，并且經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根據人們在時空尺度上對森林的不同需求，在保證木材生產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

SFMDS的數據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，真正實現森林近期、中期與長期經營規(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據技術，可以從影響森林經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，實現了跨平臺操作，利用云端的計算資源，可以在短時間內，進行上億次的迭代，進而找到接近最佳的解決方案；從數量、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，可應用于森林經營規(guī)劃和仿真教學。它使復雜的多目標森林經營規(guī)劃變得容易，可自動生成經營方案。