Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшими составляющими экономики регионов России, в значительной мере определяющими уровень материального и социального благополучия людей, являются промышленность и транспорт, которые представляют собой крупнейшие источники занятости и дохода населения и необходимы для производства различных товаров и услуг. Однако их функционирование сопровождается мощным негативным воздействием на окружающую среду. Величина экологического ущерба, наносимого только при загрязнении атмосферного воздуха промышленными выбросами, достигает суммы более 2 % валового национального продукта (при этом до 40 % этого ущерба наносится стационарными объектами и до 60 % - передвижными, в основном автотранспортом). Загрязненная природная среда производственных зон и густонаселенных городских территорий России оказывает негативное влияние на здоровье более 60 млн. ее жителей (проживающих в городах и работающих на различных предприятиях). При этом формирование определенной экологической ситуации зависит от суммарного воздействия различных объектов промышленности и транспорта с учетом их взаимосвязи. В данной работе как источник негативного техногенного влияния на окружающую среду рассматривается промышленно-транспортный комплекс (ПТК), под которым понимается совокупность действующих на определенной территории промышленных и транспортных предприятий и организаций, системы коммуникаций, подвижного состава различного вида, а также сфер их проектирования, строительства, реконструкции и содержания. Под экологической безопасностью ПТК (ЭБ ПТК) понимается система состояний природных и техногенных объектов, влияющих на жизнь и деятельность населения, находящегося как на территории самого ПТК, так и на территориях, прилегающих к нему.
Решение проблемы обеспечения приемлемого качества природной среды при воздействии на нее ПТК связано с созданием эффективных систем управления ЭБ ПТК на территориях различного уровня (регионального, муниципального, районного), в том числе и на локальных территориях, где функционируют отдельные объекты промышленности и транспорта.
При современном уровне развитии экономики России сам ПТК (как организационно-техническая система), а также процессы его взаимодействия с компонентами природной среды характеризуются сложностью и высокой динамичностью. Это определяет необходимость сбора и переработки больших объемов разнородной информации при решении задач управления ЭБ ПТК и, что особенно важно, необходимость оперативной и адекватной реакции системы управления ЭБ ПТК на текущие изменения как в ПТК, так и в окружающей среде. Сегодня реализация подобных требований неотъемлемо связана с использованием передовых информационных технологий и созданием автоматизированных систем управления ЭБ ПТК (АСУ ЭБ ПТК).
При наличии большого количества научно-исследовательских работ и практических разработок, выполненных в области управления ЭБ, в на-
стоящее время не создан единый теоретико-методологический подход к построению АСУ ЭБ ПТК, обеспечивающих адаптивное управление с учетом динамики ПТК, внешней среды и особенностей территории.
Таким образом, разработка теоретических основ построения АСУ ЭБ ПТК является сегодня крайне актуальной.
Объектом исследования является процесс управления ЭБ ПТК в современных условиях, обеспечивающий оперативное и эффективное снижение (по возможности, ликвидацию), а также предотвращение негативного воздействия на природную среду объектов промышленности и транспорта, расположенных на территориях различного уровня.
Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы создания и организации функционирования автоматизированных систем управления ЭБ ПТК.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является создание теоретических основ построения АСУ ЭБ ПТК, обеспечивающих управление ЭБ ПТК, адаптивное к динамике ПТК, внешней среды и к особенностям территории.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
осуществить анализ современного состояния ПТК, проблем обеспечения его ЭБ и существующей системы управления ЭБ техногенных объектов;
разработать основные теоретические положения построения АСУ ЭБ ПТК, представляющие собой совокупность знаний, методов, моделей и алгоритмов, описывающих цели, задачи и основные функции АСУ ЭБ ПТК, обобщенную и внутреннюю структуру системы и ее основных подсистем, механизмы их взаимодействия друг с другом и с внешней средой;
осуществить на основе разработанных теоретических положений моделирование АСУ ЭБ ПТК густонаселенных городских территорий;
исследовать особенности и разработать практические рекомендации построения и организации функционирования АСУ ЭБ ПТК густонаселенных городских территорий в конкретном регионе.
Методы исследования основываются на системном анализе; теории множеств и математической логике; методах искусственного интеллекта (аппаратах искусственных нейронных сетей и нечеткой логики) и компьютерного моделирования; математической статистике и теории вероятностей; экспертных оценках; экспериментальных исследованиях.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается применением апробированных методик, сертифицированных приборов, лабораторного оборудования и программного обеспечения; воспроизводимостью и согласованностью данных, полученных в ходе имитационных и проверочных натурных экспериментов; положительным внедрением результатов работы на ряде предприятий и организаций; свидетельствами о госрегистрации программных комплексов.
Научная новизна. В диссертационной работе разработаны теоретические основы построения АСУ ЭБ ПТК, включающие в себя:
модель ЭБ ПТК (модель объекта управления АСУ), в которой впервые ЭБ ПТК представлена как природно-организационно-техническая система, состоящая из подсистемы природного комплекса и ПТК с декомпозицией последнего на подсистему стационарных и подсистему передвижных объектов, различающихся по способам образования и распространения загрязнений и реализации управляющих воздействий;
обобщенная теоретико-множественная модель АСУ ЭБ ПТК, отличительной особенностью которой является обеспечение управления ЭБ ПТК, адаптивного к динамике ПТК, внешней среды и к особенностям территории, что реализуется за счет создания в АСУ внутренних контуров управления ее основными подсистемами;
модель системы экомониторинга и методы организации ее функционирования в АСУ ЭБ ПТК, отличающиеся возможностью адаптивной настройки всех компонентов системы в соответствии с текущими изменениями в объекте управления и/или внешней среде;
модель экспертно-информационной системы, отличительной особенностью которой является реализация управления другими составляющими АСУ ЭБ ПТК (управляющей системой и системой экомониторинга) во внутренних контурах управления, что обеспечивает адаптивность управления ЭБ ПТК к текущим изменениям как в самом объекте управления, так и во внешней среде;
методы решения задач поддержки принятия решений по управлению ЭБ ПТК (задач модельной оценки, прогнозирования и определения управляющих воздействий), разработанные на основе нейросетевого подхода;
методика осуществления интегральной оценки состояния ЭБ ПТК, отличительной особенностью которой является применение аппарата нечеткой логики при формировании первичных и синтезе новых знаний;
модель АСУ ЭБ ПТК густонаселенных городских территорий и методы обеспечения функционирования системы на примере конкретного региона;
алгоритмы, реализующие предложенные модели и методы.
На основе разработанных теоретических положений предложена методология построения и организации функционирования конкретных АСУ ЭБ ПТК адаптирующихся к изменениям структуры и параметров ПТК, внешней среды и учитывающих особенности территории.
Практическая значимость. Создан теоретико-методологический инструмент решения практических задач построения АСУ ЭБ ПТК на территориях различного уровня иерархии административно-территориального деления, в том числе на локальных территориях, подверженных негативному воздействию конкретных объектов промышленности и транспорта.
Разработаны практические рекомендации построения АСУ ЭБ ПТК для густонаселенных городских территорий, основанные на созданных теоретических положениях.
Проведен комплексный экомониторинг на конкретной густонаселенной городской территории (г. Орел) с научным анализом его результатов. Разработаны специализированные математические модели и программные комплексы (зарегистрированные в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам), атлас электронных карт, модель интегральной оценки состояния ЭБ ПТК, а также практические рекомендации по их применению и организации функционирования АСУ ЭБ ПТК на конкретной территории.
Результаты внедрения. Результаты диссертационной работы в виде разработанных моделей, методов, алгоритмов и рекомендаций внедрены и используются для решения различных задач в сфере управления ЭБ ПТК: в администрации г. Орла для проектирования и организации функционирования на территории города АСУ ЭБ ПТК; на промышленных и транспортных предприятиях и организациях, в частности, в ЗАО «Экология» (г. Орел), в Московской ассоциации предприятий технического обслуживания и ремонта автотранспортных средств (МАПТО, г. Москва), ООО «Рецикл» (г. Электросталь, Московская обл.), 000 «Экологический Альянс» (г. Москва), в Центре лабораторных анализов и технических измерений (филиал по Орловской области) для построения АСУ ЭБ ПТК, осуществления эффективного мониторинга, оценки, прогнозирования и управления воздействием объектов ПТК на территории их функционирования и на близлежащих селитебных территориях, а также в ЗАО «Орелнефтепродукт» (г. Орел), 000 «Стройинвест» (г. Орел) для рационального выбора (с экологической и экономической точки зрения) расположения планируемых для строительства на территории города промышленных и жилых объектов.
Также модели, методы и алгоритмы внедрены в Орловском государственном техническом университете и Орловском государственном аграрном университете для использования в учебном процессе и научно-исследовательской работе студентов, магистров и аспирантов.
Разработанные теоретико-методологические основы были использованы в исследованиях, проводимых в 2006-2007 гг. по проекту РФФИ «Создание модели региональной автоматизированной системы экологического мониторинга» (№ 06-07-96313).
На защиту выносятся:
модель ЭБ ПТК (объекта управления АСУ ЭБ ПТК) как сложной природно-организационно-технической системы;
обобщенная модель АСУ ЭБ ПТК с внутренними контурами управления;
модель системы экомониторинга и методы организации ее функционирования, соответствующие требованию адаптивности всех подсистем
АСУ ЭБ ПТК к текущим изменениям в объекте управления и во внешней среде;
- модель экспертно-информационной системы, реализующей идею
адаптивного управления ЭБ ПТК и являющейся субъектом управления во
внутренних контурах управления АСУ ЭБ ПТК;
методы решения задач поддержки принятия решений по управлению ЭБ ПТК, разработанные на основе нейросетевого подхода;
методика осуществления интегральной оценки состояния ЭБ ПТК на основе аппарата нечеткой логики;
модель АСУ ЭБ ПТК густонаселенных городских территорий, а также специализированные математические модели, электронный атлас, модель интегральной оценки состояния ЭБ ПТК и практические рекомендации, обеспечивающие функционирование АСУ на конкретной территории;
алгоритмы, реализующие предложенные модели и методы;
методология построения и организации функционирования АСУ ЭБ ПТК.
Апробация работы. С 2001 по 2009 гг. результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях и семинарах. Основные из них: Всероссийская научно-практическая конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2001 г.); I-VI Международные научно-практические Интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение-XXI век» (г. Орел, 2002-2008 гг.); научно-практический семинар «Экологическая безопасность региона: опыт, проблемы, пути решения» (г. Орел, 2004 г.); Международная научно-практическая конференция «Природноресурс-ный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (г. Пенза. 2005 г.); IV Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (г. Тула, 2005 г.); заочная электронная конференция «Проблемы экологического мониторинга» (г. Москва, 2006 г.); V Всероссийская научная конференция «Новейшие технологические решения и оборудование» (г. Москва, 2007 г.); II, III Международные научные конференции «Современные проблемы науки и образования» (г. Москва, 2007, 2008 гг.); Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии искусственного интеллекта» (г. Пенза, 2008 г.); XVI Всероссийский семинар «Нейроинформатика, ее приложение и анализ данных» (г. Красноярск, 2008 г.); Интернет-конференция по проблемам теории и практики управления (ИЛУ РАН, г. Москва, 2009 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе (Информационные технологии - 2009)» (г. Йошкар-Ола, 2009 г.); 3-я Международная научная конференция «Автоматизация в промышленности» (г. Москва, 2009 г.). Кроме этого, результаты работы регулярно обсуждались на научных семинарах и конференциях профессорско-преподавательского состава ОрелГТУ, ОрелГАУ, ТулГУ.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 54 печатные работы, в том числе 2 монографии и 26 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации трудов на соискание ученых степеней, из них 9 по управлению, вычислительной технике и информатике. Получено 3 свидетельства на государственную регистрацию программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и приложений. Содержание работы изложено на 367 страницах машинописного текста, содержит 77 рисунков, 14 таблиц, список литературных источников из 309 наименований.
Благодарности. Автор выражает особую благодарность доктору технических наук, профессору Новикову Александру Николаевичу за научное консультирование по вопросам, связанным с организацией и проведением экомониторинга на густонаселенной городской территории, а также с анализом его результатов (главы 7 и 8).
