Việc sử dụng mô hình toán trong một số lĩnh vực nghiên cứu nhƣ hệ sinh thái rừng, môi trường,...đã được tiến hành trên thế giới từ lâu, kể cả mô hình thống kê và mô hình cấu trúc.
Mô hình là sự mô tả trừu tượng các mối tương quan của một hệ thống thực bằng một hình thức ước lệ, thường là bằng phương trình toán học. Mô phỏng là sự thí nghiệm trên một mô hình. Phần mềm mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cho phép các chuyên gia không chuyên sâu về toán giải quyết các bài toán phi tuyến
18
bằng việc mô hình hóa và mô phỏng hệ thống - bước quan trọng cuối cùng trong quá trình phân tích hệ thống (Bossel, 1992) [12].
Trong các nghiên cứu có sử dụng phương pháp mô hình hóa cấu trúc và mô phỏng thì phần mềm Stella (High Performance Systems, 1985) đƣợc sử dụng rộng rãi hơn cả. Lý thuyết về phân tích hệ thống, mô hình hóa cấu trúc và mô phỏng đã đƣợc Bossel (1986, 1994) [28, 31] nghiên cứu rất kỹ.
Bruenig và các cộng sự (1986) đã nghiên cứu và đưa ra hướng dẫn áp dụng phân tích hệ thống trong bảo tồn, sử dụng và phát triển tài nguyên đất nhiệt đới và á nhiệt đới của Trung Quốc [24].
Barry Richmond (2005) cho rằng, cần đƣa tƣ duy hệ thống (system thinking) vào trường phổ thông và hy vọng bằng cách đó sẽ tạo được sự tiến hóa về tư duy, giao tiếp và học tập; từ đó có thể tiến tới giải quyết các vấn đề xã hội đầy áp lực (vô gia cư, đói, nghiện, bất công trong thu nhập, hiểm họa môi trường, dịch AIDS) đã xuất hiện từ lâu nhƣng không giải quyết đƣợc và ngày càng trầm trọng [12]. Công cụ đƣợc Barry Richmond sử dụng là phần mềm Stella của Mỹ. Jay Forrester (1989) [19], người tiên phong trong lĩnh vực động thái hệ thống, cho rằng cần chuyển đổi phương pháp giảng dạy quản trị kinh doanh từ dựa trên nghiên cứu trường hợp (case study) sang phân tích động thái hệ thống với việc mô hình hóa động thái hệ thống. Theo ông, dù là dạy trong trường phổ thông hay trường đại học, vấn đề quan trọng là tập trung truyền thụ một số cấu trúc chung nhất (generic structures).
Bossel (2007) đã phát triển các dạng mô hình cơ bản nhất của các lĩnh vực khác nhau, các cuốn sách đã thể hiện khả năng ứng dụng mô hình hóa và mô phỏng trong việc giải quyết vấn đề thực tiễn của nhiều lĩnh vực khác nhau: vật lý và chế tạo máy, khí hậu, hệ sinh thái, tài nguyên, kinh tế, xã hội và phát triển [19].
Ngoài ra, còn nhiều nghiên cứu hệ sinh thái rừng khác đã sử dụng phương pháp mô hình hóa cấu trúc và mô phỏng (Lars et al. 2006, Nadporozhskaya et al.
2006, Bampfyde et al. 2005, Akihiko Ito 2005,....) [27, 28, 29, 30]. Tuy nhiên đối tƣợng là HKTST nông hộ (hộ gia đình) và mục tiêu mô hình hóa cấu trúc để phân tích, đánh giá, tìm giải pháp đề xuất phương án đầu tư tối ưu nhằm đem lại hiệu quả
19
kinh tế cho HKTST nông hộ thì hầu nhƣ chƣa bao giờ đƣợc nghiên cứu. Các nghiên cứu về HKTST nông hộ nếu có sử dụng mô hình toán thì hầu hết chỉ là những mô hình thống kê được dùng để thể hiện mối tương quan giữa một số yếu tố. Mô hình cấu trúc chƣa đƣợc áp dụng nhiều để thể hiện và mô phỏng biến động của cấu trúc HKTST nông hộ.
1.3.2. Tính năng của phần mềm MM&S [12,13,14, 15,30]
MM & S là công cụ mô hình hóa và mô phỏng các hệ động, đã đƣợc thiết kế trên cơ sở quan điểm “Bốn nhóm yếu tố” và quan điểm "Hệ số biến đổi" (Nguyen Van Sinh, 2006, 2012) [16].
Quan điểm “Bốn nhóm yếu tố” cho rằng các yếu tố của hệ động có thể chia làm 4 nhóm: (1) Các yếu tố không đổi; (2) Các yếu tố trạng thái; (3) Các yếu tố trung gian; (4) Các yếu tố liệt kê. Trong đó, các yếu tố không đổi không bao giờ thay đổi giá trị của chúng hoặc ít nhất là trong thời gian chúng ta xem xét hệ. Yếu tố trạng thái thay đổi giá trị của chúng nhƣng chúng ta có thể xác định giá trị của chúng ở bất cứ thời điểm nào bằng cách cân, đo, đong, đếm... mặc dù đôi khi rất khó. Các yếu tố trung gian thay đổi giá trị của chúng và giá trị của chúng ở một thời điểm chỉ có thể đƣợc tính toán từ giá trị của các yếu tố khác (Bossel, 1992) [31]. Và cuối cùng là nhóm yếu tố liệt kê, chúng thay đổi giá trị theo thời gian nhƣng giá trị của chúng ở mọi thời điểm hay ở một số thời điểm trong khoảng thời gian ta xem xét hệ đã được cho trước (giá trị của chúng được liệt kê) (Nguyễn Văn Sinh, 2011) [15].
Quan điểm “Hệ số biến đổi” có nghĩa là mỗi yếu tố trạng thái có một hệ số biến đổi nhƣ là thuộc tính của mình. Các yếu tố khác tác động lên một yếu tố trạng thái bằng việc tác động lên hệ số biến đổi của nó và yếu tố trạng thái tác động lên các yếu tố khác của hệ bằng giá trị của mình.
Phần mềm MM&S bao gồm 4 cửa sổ con, đó là cửa sổ văn bản, cửa sổ đồ thị, cửa sổ bảng, cửa sổ sơ đồ mô phỏng (hình 2).
20
Cửa sổ mô hình dạng văn bản: cho phép soạn thảo và lưu mô hình dưới dạng tệp văn bản trơn với đuôi tệp là “*.ptm” (ptm=plain text model). Khuôn thức của mô hình gồm phần khai báo khung thời gian và phần khai báo các yếu tố của hệ. Phần khai báo khung thời gian gồm 3 dòng để khai báo thời điểm bắt đầu, thời điểm cuối và bước thời gian. Phần khai báo các yếu tố chia làm 4 nhóm: nhóm các yếu tố không đổi (hằng số) đƣợc bắt đầu bằng dòng có từ khoá CONSTANT_ELEMENTS; nhóm các yếu tố trung gian đƣợc bắt đầu bằng dòng có từ khoá INTERMEDIATE_ELEMENTS; nhóm các yếu tố trạng thái đƣợc bắt đầu bằng từ khoá STATE_ELEMENTS và nhóm yếu tố liệt kê bắt đầu bằng từ khóa LISTED_ELEMENTS. Mô hình hoàn thiện lưu dưới dạng tệp có thể được tính toán bằng cách kích chuột vào nút hình người chạy trên thanh công cụ cửa số chính và chọn tệp mô hình trong hộp thoại hiện ra sau đó.
Hình 2. Cửa sổ chính và các cửa sổ con của chương trình MM&S
21
Cửa sổ đồ thị: cho phép vẽ đồ thị và lưu đồ thị dưới dạng tệp hình ảnh (*.bmp) hoặc dạng vec tơ với đuôi tệp “*.stm”. Có thể vẽ đồ thị thời gian (thể hiện biến động giá trị các yếu tố của hệ theo thời gian) và đồ thị pha (thể hiện tương quan 1 cặp yếu tố theo thời gian).
Cửa sổ sơ đồ mô phỏng: cho phép vẽ sơ đồ mô phỏng thể hiện tương tác giữa các yếu tố của hệ: (*) biểu tƣợng hình vuông dành cho yếu tố trạng thái, (*) biểu tƣợng hình tròn dành cho yếu tố không đổi, (*) biểu tƣợng hình thoi dành cho yếu tố trung gian và (*) biểu tƣợng hình tròn với 3 dấu cộng hoặc trừ bên trọng thể hiện các yếu tố liệt kê. Các đường liên kết được đánh dấu điểm xuất phát từ một yếu tố tác động bằng 1 khung tròn và điểm đến yếu tố bị tác động bằng 1 đoạn màu đỏ và mũi tên. Có thể nạp thông tin và công thức vào sơ đồ mô phỏng qua hộp thoại bằng cách kích đúp chuột lên từng biểu tƣợng đại diện cho các yếu tố của hệ. Khi đã nạp công thức xong có thể chạy tính toán mô phỏng từ cửa sổ sơ đồ mô phỏng.
Cửa sổ bảng: cho phép hiển thị kết quả tính toán mô phỏng dưới dạng bảng, lưu dưới dạng tệp (*.tbl) và lưu vào tệp văn bản trơn (*.txt) hoặc tệp excel (*.xls).
22