بخشی از مقاله
چکیده:
بسیاری از پدیدهها و متغیرها در شاخههای مختلف علوم منابع طبیعی و محیط زیست از جمله منابع آب و خاک به صورت کمی قابل اندازهگیری نبوده و یا اندازهگیری کمی آنها مشکل، وقتگیر و هزینهبر میباشد، از این رو، بسیاری از متغییرها به صورت کیفی توصیف میشوند. از طرف دیگر، در بسیاری از مفاهیم و پدیدههای طبیعی ابهام وجود دارد و بهتر است این ابهامات به عنوان بخش جدانشدنی این علوم درنظر گرفتهشوند. بسیاری از روشهای معمول در مدیریت منابع آب و خاک قادر به پشتیبانی درست حجم زیاد اطلاعات کیفی و کمی نمیباشند، از سوی دیگر بسیاری از این اطلاعات همراه با ابهام و عدم قطعیت هستند. منطق فازی به خوبی به این ابهامات، صورتبندی ریاضی بخشیده و زمینه را برای تصمیمگیری و استدلال در مورد آنها فراهم میسازد.
به طور کلی طبیعت و محیط زیست، با پیچیدگی، پویایی و عدم قطعیت همراه است. منطق فازی به دلیل دارابودن مفاهیم ساده و انعطافپذیر، کار با دادههای مبهم و مدلهای پیچیده، میتواند کارساز واقع شود. بر خلاف کاربرد وسیع منطق فازی در علوم مهندسی، این تکنیک در موضوعات تحقیقاتی منابع آب و خاک و سایر موضوعات مرتبط، هنوز جایگاه خود را پیدا ننموده و فراگیر نشدهاست. بنابراین لازم است آشنایی بیشتر و متنوعتری در ارتباط با بهکارگیری این تکنیک در شاخههای مختلف این علوم صورت پذیرد. در این مقاله سعی شدهاست تا سیمایی از منطق فازی به زبانی ساده ارائه شده و به برخی از تحقیقات و پژوهشهایی که با استفاده از منطق فازی در علوم مختلف منابع طبیعی و محیط زیست انجام شده است، اشاره شود.
واژههای کلیدی: پدیدههای کیفی، مدلسازی، منابع آب و خاک، منابع طبیعی و محیط زیست، منطقفازی.
مقدمه:
به طور کلی توانایی اندازهگیری هر متغیری محدود بوده و به عبارت دیگر اندازهگیری هر متغیری همواره با خطاهایی همراه میباشد. علوم مختلف مرتبط با منابع آب و خاک همچون آبخیزداری، مرتعداری، جنگلداری و ... دارای پدیدهها و موضوعاتی هستند که به صورت کمی قابل اندازهگیری نبوده و یا اندازهگیری کمی آنها مشکل، وقتگیر و هزینهبر میباشد، از این رو، به صورت کیفی توصیف میشوند. در این ارتباط از متغیرهای زبانی و قیود آن بسیار استفاده میشود، که بهگونهای مبهم و نادقیق هستند. فعالیتهای بشر در طی دهههای گذشته باعث تغییرات بسیار زیادی در طبیعت شدهاست. از طرفی هر تغیری در یک متغیر هیدرولوژیکی، آب و هوایی و یا ... خود می تواند باعث تغیر در سایر متغیرها شود. این تغییرات اثرات محیط زیستی منفی فراوانی به دنبال داشتهاست.
یکی از معیارهای توسعهپایدار و مدیریت جامع منابع آب و خاک، ارزیابی این اثرات محیط زیستی - EIA - است. مشکل اصلی که در روشهای معمول EIA وجود دارد این است که قادر به پشتیبانی درست حجم زیاد اطلاعات کیفی و کمی محیط زیستی نبوده، بنابراین، برای حل این مشکل، اطلاعات کیفی را که در اصل نشاندهنده یک وضعیت است به مقیاس عددی تبدیل میکند. از سوی دیگر، ارزیابی اثرات محیط زیست، با مسائلی از قبیل ابهام در اطلاعات، نبود دادههای کافی، برونیابی آماری و دانش محدود از طبیعت مواجه است، واضح است که بسیاری از تصمیمات و اقدامات در شرایط عدم اطمینان است و حالتهای واضح غیر مبهم، بسیار نادر و کمیاب میباشند. اساسا در طبیعت امکان اندازهگیری باهر درجه خاص ممکن نمیباشد، به ویژه هنگامی که اثرات متقابل بین فعالیتهای مختلف بشر و فاکتورهای زیستی، پیشبینی میشوند - صالحی و مرادی، . - 1390
منطق فازی - Fuzzy Logic - ، یک جهانبینی جدید است که به رغم ریشهداشتن در فرهنگ مشرق زمین با نیازهای دنیای پیچیده امروز بسیار سازگارتر از منطق ارسطویی است. منطق فازی جهان را آن طور که هست به تصویر میکشد - قاسمنژاد و همکاران، . - 1387 اساس منطق فازی بر زبان طبیعت بنا گذارده شدهاست - شعبانینیا و سعیدنیا، . - 1388 در بسیاری از شاخه-ها و موضوعات مرتبط با منابع آب و خاک از نظرات کارشناسی استفاده میشود و ممکن است به دلیل همین توصیفات کیفی، این نظرات با یکدیگر متفاوت باشند. به عبارت دیگر در بسیاری از مفاهیم و پدیدههای طبیعی ابهام وجود دارد. به عنوان مثال فرسایش زیاد، آبدهی کم، حاصلخیزی ناچیز، میزان پوشش گیاهی کم، مراتع شدیدا تخریب یافته، وضعیت متوسط مرتع، و...جملات مبهمی هستند که در بسیاری از روشهای توصیفی با آنها مواجه میشویم، بنابراین بهتر است این ابهامات به عنوان بخش جدانشدنی این علوم درنظر گرفتهشوند.
همانطور که بیان شد رویکرد فازی ابزار بسیار مناسبی جهت برخوردکردن و کنارآمدن با این ابهامات و عدم قطعیت است. منطق فازی به خوبی به این ابهامات، صورتبندی ریاضی بخشیده و زمینه را برای تصمیمگیری و استدلال در مورد آنها فراهم میسازد. بنابراین تکنیک فازی به خوبی میتواند با استفاده از متغیرهای زبانی و عادی روزمره که در توصیف پدیدههای طبیعی به کار میروند، به مدلسازی این پدیدهها پرداخته و نتایج را به طرف قضاوتی درستتر و واقعیتر سوق دهد.در علوم مرتبط با مدیریت جامع منابع آب و خاک و همچنین منابع طبیعی و مسائل زیست محیطی، مدلسازی پدیده-هایی همچون پیشبینی میزان دبی یک رودخانه، وضعیت فرسایش یک منطقه، تعیین گرایش و وضعیت یک مرتع، مدلسازی حفاظتی مناطق حفاظتشده، و... از اهمیت بالایی برخوردار است.
زیرا مدلسازی، امکان پیشبینی را میسر میسازد و با پیش-بینی یک پدیده، امکان مدیریت بهتر آن فراهم میگردد. در بسیاری از این مدلسازیها نیاز به توصیف عوامل مختلف انسانی و طبیعی بوده و از همه مهمتر، این عوامل از نظر میزان تاثیرگذاری بر پدیده مورد بررسی وزندهی میشوند که الگوی فازی به دلیل در نظرگرفتن محدودهای از احتمالات به جای اختصاص به یک عدد قطعی برای وزندهی به عوامل، میتواند تجزیه و تحلیل دقیقتری را از نقش عوامل طبیعی و انسانی ارائه نماید. یکی از چالشهای بزرگ در فرآیند برنامهریزی و مدیریت اکوسیستمهای طبیعی مانند مرتع، جنگل و ... عدم درک پیچیدگیها و پویایی این اکوسیستمها در مقابل روند افزایش استفاده از آنها میباشد، این گونه محدودیتها دقیقا ایده اساسی تئوری فازی است.مفاهیم منطق فازی و روش آن، اولین بار در کنترل سرعت یک موتور بخار بهکار گرفتهشد.
از آن زمان تا به امروز تقریبا در تمام عرصههای صنعت و دانش استفاده میگردد و در بخشهای صنعت، اقتصاد، روانشناسی، پیشبینی آبوهوا، زیستشناسی، کشاورزی، منابع آب، منابع طبیعی و... کارایی خود را نشان دادهاست. با توجه به بررسیهای صورتگرفته، استفاده از تکنیک-های فازی در زمینه منابع طبیعی و محیط زیست، نسبت به سایر علوم به ویژه ریاضیات و صنعت اندک صورت گرفته است و با توجه به قابلیت منطق فازی و ماهیت بسیاری از پدیدههای طبیعی، تحقیقات کاربردی و بیشتر در زمینهی بهکارگیری منطق فازی و تکنیکهای آن در شاخههای مختلف منابع آب و خاک و به طور کلی محیط زیست و منابع طبیعی ضروری به نظر می-رسد. در این مقاله سعیشدهاست تا سیمایی از منطق فازی به زبانی ساده ارائه گردد و مختصری به جنبههای نظری این منطق، ویژگیها و برخی کاربردهای آن به ویژه در علوم مرتبط با منابع آب و خاک اشاره شود.
فازی و منطق فازی
واژه فازی در فرهنگ لغت آکسفورد به معنای مبهم و نادقیق، آمدهاست. در واقع واژه فازی به مفاهیم بدون مرز دقیق اشاره دارد - آذر و فرجی، . - 1386 منطق فازی نوعی از منطق بینهایت مقداره و در حقیقت یک ابتکار برای بیان رفتار مطلوب سیستمها با استفاده از زبان روزمره است. در واقع منطق فازی یک منطق پیوسته میباشد که از استدلال تقریبی بشر الگوبرداری نمودهاست. منطق فازی معتقد است که ابهام در ماهیت علم است. بر خلاف دیگران که معتقدند باید تقریبها را دقیقتر کرد تا بهرهوری افزایش یابد، زاده - 1965 - معتقد است که باید به دنبال ساختن مدلهایی بود که ابهام را به عنوان بخشی از سیستم مدل کند.
نظریه فازی قادر است بسیاری از مفاهیم و متغیرها و سیستمهایی که نادقیق و مبهم هستند - چنانچه در عالم واقعیت اکثرا چنین هست - صورتبندی ریاضی ببخشد و زمینه را برای استدلال، استنتاج، کنترل و تصمیم-گیری در شرایط عدم اطمینان فراهم آورد - قاسمنژاد و همکاران، . - 1387 در سیستمهای فازی عدم قطعیت پدیدهها دو نوع هستند، نوع اول عدم قطعیت، ناشی از ضعف دانش و ابزار بشری در شناخت پیچیدگیهای یک پدیده است. نوع دوم عدم قطعیت مربوط به عدم صراحت و عدم شفافیت مربوط به پدیده یا ویژگی خاصی میباشد - کورهپزان دزفولی، . - 1387 منطق فازی روش دقیق فکرکردن در امور مبهم، تیره و تار و خاکستری است و اساس آن بر زبان طبیعت بنا گذارده شدهاست. - شعبانینیا و سعیدنیا، . - 1388
تاریخچه منطق فازی
دو حادثه در اوایل قرن بیستم منجر به شکلگیری منطق فازی یا منطق مبهم شد. اولین حادثه پارادوکسهای مطرحشده توسط برتراند راسل در ارتباط با منطق ارسطویی بود. دومین حادثه، کشف اصل عدم قطعیت توسط هایزنبرگ در فیزیک کوانتوم بود. اصل عدم قطعیت کوانتومی هایزنبرگ به باور کورکورانه انسان به قطعیت در علوم و حقایق علمی خاتمه داد و یا دست کم آن را دچار تزلزل ساخت. بر اساس اصول و مبانی منطق ارسطو همه چیز تنها مشمول یک قاعده ثابت میشود که به موجب آن، یا آن چیز درست است یا نادرست - طاهری، . - 1384 در این میان منطقیون برای گریز از خشکی و جزمیت منطق دو ارزشی، منطقهای چند ارزشی را به عنوان تعمیم منطق دو ارزشی پایهگذاری کردند. در سال 1930 ریاضیدانی با نام لوکاسیهویچ، منطق سه ارزشی را معرفی نمود. سپس منطقدانان دیگری نظیر بوخوار، کلین و هیتینگ نیز منطقهای سه ارزشی دیگری ارائه نمودند. در منطق سه ارزشی، گزارهها بر حسب سه ارزش 0 - ، 0/5، - 1 مقداردهی میشوند.
لوکاسیهویچ در نهایت اعلام کرد مانعی برای منطق بینهایت ارزشی وجود ندارد.ماکس بلک، فیلسوف کوانتوم، در سال 1937 مقالهای در ارتباط با آنالیز منطق به نام ابهام منتشر نمود، ولی جهان علم و فلسفه مقاله وی را نادیده گرفت. پس از ایشان، لطفیزاده - مشهور به زاده - با یک تغییر جدید - تغییر واژه ابهام به فازی - راه تازهای را برای قبولاندن این ایده باز نمود. پروفسور لطفیزاده در سال 1965 نظریه فازی را در مقالهای به نام مجموعههای فازی معرفی کرد. در این مقاله، لطفیزاده چیزی را که برتراند راسل، جان لوکاسیه ویچ، ماکس بلک و دیگران ابهام یا چند ارزشی نامیدهبودند، فازی نامید. وی پس از معرفی مجموعه فازی در سال 1965، مفاهیم الگوریتم فازی را در سال 1968، تصمیمگیری فازی را در سال 1970 و ترتیب فازی را در سال 1971 ارائه نمود - جعفری خالدی و میروکیلی، . - 1386
منطق فازی در مقایسه با تئوری احتمالات و منطق کلاسیک
یکی از مباحث مهم در منطق فازی، تمیزدادن آن از نظریه احتمالات در علم ریاضیات استغالباً. نظریه فازی با نظریه احتمالات اشتباه میشود. درحالی که این دو مفهومکاملاً با یکدیگر متفاوتند. منطق فازی با حقایق نادقیق سروکار دارد و به حدود و درجات یک واقعیت اشاره دارد، حال آنکه نظریه احتمالات بر شالوده مجموعه حالاتتصادفیِ یک پدیده استوار است و درباره شانس وقوع یک حالت خاص صحبت میکند، حالتی که وقتی اتفاق بیفتد، دقیق فرض میشود - قاسمنژاد و همکاران، . - 1387 میتوان با ذکر یک مثال منطق فازی را با دیدگاه کلاسیک مورد مقایسه قرار داد. اگر میانگین درازمدت بارندگی سالانه در یک منطقه 500 میلیمتر باشد.
با توجه به این مقدار، میتوان سه حالت خشکسالی - ِ - Drought ، نرمال - Normal - و ترسالی - Wet - را برای یک منطقه بر اساس دو رویکرد کلاسیک و فازی بهگونهای تعریف نمود که با معلوم بودن مقدار بارندگی در سال iام یعنی Ri بتوان وضعیت سال مزبور را از لحاظ قرارگرفتن در یکی از سه حالت بیان شده تشخیص داد.حالتهای خشکسالی، نرمال و ترسالی را با استفاده از رویکرد کلاسیک همانگونه که در شکل 1 نشان دادهشدهاست، می-توان به صورت زیر تعریف نمود.
