Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ В СФЕРЕ ЭКОЛОГИИ 10
1.1 Экологические риски и их количественные характеристики 10
1.2 Особенности принятия решений при управлении рисками в экологической сфере 12
1.3 Обзор основных программных средств управления экологическими рисками. Зарубежные и отечественные программные продукты 18
ГЛАВА 2 ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ТЕХНОГЕННЫМИ РИСКАМИ 37
2.1 Методологический подход к построению системы поддержки принятия решений 37
2.2 Общая структура СППР 41
2.3 Специализированная система информационной поддержки для СППР 44
2.3.1 Общие требования к базе данных 49
2.3.2 Исходные данные для формирования реляционной базы данных для системы поддержки принятия решений на примере раздела Атмосфера 51
2.4 Реализация методологического подхода в модуле СППР "Генератор сценариев экологически негативных событий" 64
ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ НЕГАТИВНЫХ СОБЫТИЙ И ИХ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 69
3.1 Математическое моделирование экологически негативных событий 69
3.1.1 Основные аналитические модели, используемые при прогнозировании уровня загрязнения 69
3.1.2 Эллиптическая аппроксимация зон повышенного уровня загрязнений 79
3.1.3 Методический подход, основанный на методе эллиптической аппроксимации для оптимизации сети пунктов мониторинга 87
3.1.4 Описание программного продукта 89
3.2 Модуль "Генератор сценариев экологически негативных событий" для визуализации областей загрязнения по отдельному предприятию 92
3.3 Коэффициенты и индексы риска предприятий 98
3.4 Планирование природоохранных мероприятий. Теоретико-игровые модели управления риском в СППР 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 109
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 120
- Особенности принятия решений при управлении рисками в экологической сфере
- Методологический подход к построению системы поддержки принятия решений
- Основные аналитические модели, используемые при прогнозировании уровня загрязнения
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время экологическая ситуация в нашей стране остается весьма острой. Как было отмечено на состоявшемся 07.10.2005 совещании Консультативного совета при МПР РФ, объем выбросов загрязняющих веществ только в атмосферный воздух составил в 2004 году 35.8 млн. тонн. Объем выбросов от стационарных источников с 2000 г. растет в среднем на 2-3-,5% в год, что связано с экономическим ростом в стране. Объем выбросов в атмосферу предприятий нефтедобывающей промышленности в 2004 г. вырос по сравнению с предыдущим годом более чем на 20%, растет объем выбросов от автотранспорта, цветной и черной металлургии, других отраслей.
В этих условиях задачи, связанные с разработкой средств и методов управления техногенными рисками, основанных на информационно-аналитической поддержке, приобретают особую актуальность. Исследованиям по данной тематике посвящено большое количество работ. В частности, серьезные результаты получены в области математической экологии, связанные с математическим и компьютерным моделированием экологических и эколо го-экономических процессов. Можно выделить различные группы методов оценки рисков (статистические, экспертные, основанные на аналитических моделях и др.), для каждой из которых разработаны разнообразные, в том числе, обоснованные и успешно используемые приемы и методики их применения. Существуют серьезные компьютерные системы в области моделирования загрязнений, моделирования рисков экологически негативных событий, аварий и катастроф.
Вместе с тем, системный подход предполагает комплексный учет возможных способов оценки техногенных рисков. Методология, позволяющая в рамках единого подхода использовать результаты различных
методик для получения комплексной оценки риска, на сегодняшний день отсутствует. В значительной степени это объясняется и различными трактовками понятия риска. Развитие такой методологии, базирующейся на унифицированной трактовке риска, и ее реализация в виде системы поддержки принятия решений является актуальной задачей. Разработка базисных элементов ее решения и составляет содержание работы.
Цель работы: разработка информационно-математического
обеспечения управления техногенными рисками, ориентированного на создание системы поддержки принятия решений (СПГТР), реализующей комплексное использование традиционных и новых подходов и методов.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка методологического подхода к построению информационно-аналитической системы, сочетающей в себе свойства традиционных информационных экологических систем, методов математического моделирования распространения загрязнений, а также - традиционных экологических экспертных систем.
Разработка математической модели, позволяющей в рамках единого подхода прогнозировать последствия экологически негативных событий на основе одновременного использования различных инструментов: классических математических моделей, доступной статистики и экспертных оценок.
Разработка структуры СППР и структуры специализированной системы информационной поддержки, ориентированных на использование при математическом моделировании экологически негативных событий, прогнозировании возможного ущерба, определении коэффициентов риска предприятий и территорий.
4. Разработка алгоритма эллиптической аппроксимации границ областей
загрязнения и программного продукта для ПЭВМ для целей оптимизации
систем мониторинга загрязнения снегового покрова.
5, Разработка методов расчета коэффициентов риска для отдельных
предприятий и территорий.
Научная новизна
1. Предложен новый методологический подход и разработаны основные
принципы построения комплексной информационно-аналитической СППР
по управлению экологическими рисками на основе математической модели,
реализующей синтез традиционных инструментов: классических
математических моделей, доступной статистики и мнений экспертов.
2. Разработана структура системы поддержки принятия решений,
составляющей основу построения эффективного инструмента управления
рисками, связанными с экологическими нарушениями, авариями и
катастрофами техногенного характера.
Предложен алгоритм эллиптической аппроксимации зон повышенного уровня загрязнений с целью оптимизации систем мониторинга загрязнения снегового покрова.
Предложены модифицированные методы расчета коэффициентов риска для отдельных предприятий и территорий.
Практическая ценность работы 1. Предложенный методологический подход к построению комплексной информационно-аналитической СППР по управлению экологическими рисками и лежащая в его основе математическая модель, могут послужить основой для разработки систем, сочетающих в себе свойства традиционных информационных экологических систем, методов математического моделирования и прогнозирования экологической динамики, а также — традиционных экологических экспертных систем.
2. Комплексная СППР предложенной структуры предназначена для
прогнозирования ущерба от экологически неблагоприятных событий и может
быть использована в целях рационального планирования природоохранных
мероприятий и экологического страхования.
Специализированная система информационной поддержки может быть использована в процедурах оценивания экологических рисков предприятий и территорий, прогнозировании параметров экологически опасных ситуаций природоохранными органами на федеральном, региональном и локальном уровнях.
Созданная программа для ПЭВМ, реализующая процедуру эллиптических аппроксимаций границ областей загрязнения (защищена свидетельством № 2005612983 от 16.11.2005 г.), может быть использована для оптимизации количества и пространственного положения пунктов изучения загрязнения снегового покрова в зоне влияния крупных источников пылевых выбросов.
5. На основе предложенного алгоритма эллиптической аппроксимации
границ областей загрязнения разработан методический подход, позволяющий
сократить количество натурных измерений при проведении мониторинга
загрязнения снегового покрова. Подход апробирован при проведении
снегового мониторинга в районе Сафьяновского медного рудника в 1999-
2000 гг. (г. Реле Свердловской области).
6. Модифицированный метод расчета коэффициентов риска для предприятий
и территорий может быть использован при моделировании возможного
ущерба от аварий на опасных предприятиях и территориях и обосновании
тарифов страхования экологических рисков.
Апробация работы
Результаты исследований были представлены и обсуждены на 3 Всероссийской конференции «Страхование в условиях формирования рыночных отношений» (г. Екатеринбург, 2000), Ш-ей Международной научно-методической конференции «Методология преподавания статистики,
эконометрики и математической экономики в вузах» (г. Екатеринбург, 2001), XI международном экологическом симпозиуме «Урал атомный, Урал промышленный» (г. Екатерин бург, 2005), Всероссийском молодежном научном симпозиуме «Безопасность биосферы -2005» (г. Екатеринбург, 2005), Научно-практической конференции, посвященной 10-летию кафедры анализа систем и принятия решений ГОУ ВПО УГТУ-УПИ «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2004), Областной научно-практической конференции, посвященной 85-летию ГОУ ВПО УТТУ-УПИ «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2005), Первой испано-итало-гол андской конференции по теории игр (Maastricht, Netherlands, 2005).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 126 страницах машинописного текста, содержит 9 рисунков, 25 формул, список цитированной литературы содержит 97 источников.
В первой главе обсуждаются особенности принятия решений при управлении рисками в экологической сфере, сформулированы задачи и функции СППР, общие требования к СППР при управлении экологическими рисками, приведен обзор существующих СППР и программных продуктов в сфере экологии. Отдельный раздел посвящен проблемам, связанным с подходами к трактовке понятия экологический риск.
Вторая глава посвящена описанию методологического подхода к построению структуры предлагаемой СППР, предложена структура системы и описаны ее уровни. В первом параграфе сформулированы общие принципы математической конструкции, позволяющей прогнозировать
экологически негативные события и возможный ущерб от них на основе комплексного учета традиционных и новых приемов и методов.
Также описан процесс формирования и представлен прототип специализированной системы информационной поддержки для СППР по управлению рисками экологически негативных событий, аварий и катастроф техногенного характера, сформулированы требования к такой системе.
Третья глава посвящена аналитическому, модельному инструментарию разрабатываемой СППР. Первый раздел главы посвящен собственно математическим моделям. В первом параграфе раздела представлены известные классические модели распространения загрязнений и указаны некоторые современные направления их модификации (модели распространения загрязнений в атмосфере, от неподвижных и движущихся источников и др.). В этом же параграфе отмечается, что для наиболее распространенных гауссовых моделей типичными являются эллиптические или эллипсоидальные области, описывающие распространение загрязнений. Это обстоятельство используется далее как дополнительное обоснование предлагаемого в работе метода эллиптической аппроксимации зон повышенного уровня загрязнения, в основе которого лежит предположение о том, что граница области поверхностного загрязнения может быть с достаточной точностью аппроксимирована эллипсом. Разработанный алгоритм эллиптической аппроксимации реализован в программном комплексе, предназначенном для аппроксимации фактических зон загрязнения по заданному количеству точек наблюдения.
Разрабатываемой СППР предусмотрено ее использование для расчета коэффициентов риска для предприятий и территорий, анализа и выработки предложений по проведению природоохранных мероприятий и совершенствованию природоохранного законодательства, для расчета тарифов экологического страхования. Этим вопросам посвящен заключительный параграф третьей главы.
Особенности принятия решений при управлении рисками в экологической сфере
Необходимо отметить, что подходы к ликвидации последствий техногенных аварий, официально утвержденные в различных странах, могут существенно различаться [25 - 27]. Это объясняется различиями в трактовке и реализации принципов радиационной или другой защиты, в приоритетах защиты окружающей среды и населения, различиями законодательных актов, а также национальными экономическими, социальными и другими факторами и особенностями. Подразумевается также, что разработанные системы поддержки принятия решений не могут быть реализованы в различных странах без проведения необходимой коррекции. При этом необходима адаптация не только модельных блоков и баз данных, но и прежде всего, блока поддержки принятия решений.
Аналитические и технические методы и средства поддержки принятия решений в задачах охраны окружающей среды могут быть сгруппированы в следующие тематические блоки [31-33]: оценка показателей риска (в широком смысле); многофакторный и многокритериальный анализ; анализ затраты—выгода; оценки жизненного цикла; анализ устойчивости развития. Для реализации каждого из указанных методов или их комбинации используется, как правило, весь необходимый комплекс исходных данных, баз знаний, модельных оценок, компьютерных средств, а также нормативных документов.
Поддержка принятия решений в задачах охраны окружающей среды как общая методология и дисциплина находится на ранней стадии своего развития, различные подходы и методы имеют в настоящее время тенденцию к фрагментации и перекрытию. Однако формирование соответствующей дисциплины, интегрирующей разнообразные подходы и методы, имеет много положительных сторон как для специалистов академических институтов, профессиональных работников в области разработки прикладных систем поддержки принятия решений, так и для лиц, принимающих решения [23,24].
Широкий обзор компьютерных систем поддержки принятия решений для ликвидации последствий техногенных аварий представлен во многих публикациях, в том числе в работах [38-42].
Сложности принятия решений при управлении экологическими рисками определяются следующими особенностями решаемых задач: сложность процессов влияния условий среды на объекты производства;
значительное количество параметров природной среды, влияющих на выбор управляющих решений;
непрерывный характер воздействия на объекты, случайный характер воздействия опасных гидрометеорологических явлений;
частая коррекция управляющих воздействий в связи с отсутствием точных методов прогнозирования;
наличие многочисленных и разнообразных ограничений (технологических, производственных, экономических и др.).
Задачи учета состояния природной среды на хозяйственных объектах обладают большим разнообразием способов их возможного решения, и при этом используется широкий диапазон знаний [34-37]. Полностью одинаковые условия среды повторяются очень редко. Это приводит к тому, что знания, приобретенные руководителями объектов в процессе своей деятельности, через некоторое время утрачиваются и не могут быть использованы при повторном возникновении аналогичных условий. Входные данные характеризуются большим объемом, нуждаются в прикладной обработке и не обладают свойствами абсолютной полноты, достоверности и своевременности. Возможный ущерб от недоучета условий среды достаточно велик, а, следовательно, и велика цена ошибки рекомендаций. Основную роль при учете условий среды играет человек, что требует при создании СГШР привлечения опытных и квалифицированных экспертов. Подготовка руководителей, способных правильно учитывать состояние природной среды, требует достаточно больших затрат. Стремление к улучшению качества учета состояния среды путем увеличения объемов разнообразной информации приводит к еще большим трудностям для лиц, принимающих решения.
Методологический подход к построению системы поддержки принятия решений
Первый принцип развиваемого подхода состоит в следующем: результаты всех прогнозов (оценок) риска формализуются как случайные величины.
Данный принцип используется в работе по отношению к традиционным методам оценки риска. Предположим, что речь идет о прогнозировании ущерба от экологических аварий в последующий фиксированный временной интервал. Рассмотрим случай, когда имеется ряд статистических данных, относящихся к величине ущерба, вызванного аварийными выбросами на данном предприятии или на группе аналогичных предприятий. Эти данные можно обрабатывать по-разному. Можно рассчитать средний ущерб по аналогичным периодам (т.е. найти выборочное среднее), найти дисперсию, СКО, иные характеристики.
Рассматриваемый в работе подход предполагает следующее. По имеющейся статистике строится выборочная функция распределения, гистограмма, и с учетом подбора ее параметров (в зависимости от объема выборки, величины промежутка времени и т.д.) строится плотность распределения случайной величины ущерба "0, отвечающей этому способу (статистике) прогноза. Таким образом, результат обработки статистических данных есть случайная величина: где S - исходный статистический ряд. Символом со здесь и далее обозначается элементарное событие в соответствующем вероятностном пространстве.
Далее, пусть к оценке возможного ущерба привлечено N экспертов. Существуют различные способы обработки результатов опросов экспертов. Предлагается рассматривать результаты экспертных оценок в виде случайных величин. Допустим, что каждый эксперт задает несколько значений возможного ущерба с указанием вероятности реализации каждого значения. Такие наборы, состоящие из пар «значение-вероятность» суть не что иное, как распределение дискретной случайной величины. Таким образом, в результате опроса эксперта естественным образом возникает случайная величина, отражающая его точку зрения относительно прогноза рассматриваемой величины: где Qi - информация, которой располагает эксперт с соответствующим номером .
Наконец, остановимся на последнем варианте формирования оценки с использованием математических моделей. Математическая модель представляет собой правило (алгоритм, набор соотношений - формул), позволяющее по известному набору характеристик предприятия xl,x1...,xk и значений природных (случайных) факторов й х тгг...,со„ вычислить искомые величины Vj =Vj(xltх2...,хк,щ,ео2,...,(от)- оценки ущерба. Поскольку величины о)\,а 2,.„,о)т заранее неизвестны, для определения усредненных характеристик интересующего процесса или величины строятся функции распределения.
Для достаточно сложных моделей можно использовать процедуру имитационного моделирования. Как и в двух рассмотренных выше случаях результат может быть представлен в виде случайных величин:
Основные аналитические модели, используемые при прогнозировании уровня загрязнения
Настоящий раздел ориентирован на дальнейшее развитие разрабатываемой СНІ IP. Предполагается, что система будет включать серию моделей загрязнения окружающей среды, которые будут использоваться наряду со статистическими и прогнозными экспертными оценками при формировании результирующих показателей.
Множество математических моделей, используемых в экологической практике весьма многообразно [79-91]. Не претендуя на полноту, в данном разделе мы приведем некоторые базовые модели, укажем направления их модификации для специальных случаев и отметим связи классических подходов с развиваемым в настоящем исследовании инструментарием.
Поясняя существующее разнообразие моделей, отметим, что математические модели могут быть ориентированы как на оценку концентраций загрязнителей при постоянном, но незначительном загрязнении территории, так и на ситуации аварийного загрязнения, когда концентрация загрязнителей обычно претерпевает значительные изменения во времени. Построение моделей для различных сфер окружающей среды также порождает специфические задачи, в первую очередь в связи с тем, что закономерности распределения загрязнителей в разных сферах характеризуются ярко выраженными особенностями. При этом в некоторых сферах они еще слабо изучены, что не позволяет сделать вывод о достаточной обоснованности многих теоретических моделей.
Для определенности остановимся на моделях распространения загрязнений атмосферы, точнее, на методах описания турбулентной диффузии примеси в атмосфере. В практике наибольшее распространение получили модели оценки концентраций загрязнителей в нижних слоях атмосферы. По сравнению с аналогичными моделями распространения загрязнителей в почве, воде и пищевых цепях они в большей степени соответствуют закономерностям реальных процессов, подтвержденных обширной эмпирической информацией. При этом следует отметить, что загрязнение атмосферы обычно вызывает наибольший ущерб здоровью и жизни людей при аварийных событиях, поскольку попадание загрязнителя в организм через дыхательные пути практически ничем не может быть предотвращено.
В этом случае среда трактуется как тяжелый газ (жидкость), а попавшая в нее примесь, которая может представлять собой в одних случаях жидкость или газ, в других - очень мелкие твердые или жидкие частицы. Турбулентное движение жидкости предполагает наличие неупорядоченных хаотических течений, которые и обуславливают перемешивание и рассеивание примеси. Математическое описание процесса осуществляется двумя основными способами. В первом варианте основными переменными модели являются координаты пространства (x,y,z) (переменные Эйлера), во втором - выделяется бесконечно малая частица жидкости, имеющая в начальный момент времени t = ta координаты ( 0, у0, z0), и далее рассматриваются ее координаты как функции переменных (t,x0,y0,z0) (переменные Лагранжа). Независимо от того, в каких переменных рассматривается процесс, предполагается, что все его параметры являются случайными функциями.
На практике широко используются два основных подхода к описанию процесса диффузии. Первый подход восходит к работе Тейлора [75], а второй основан на обобщении уравнений молекулярной диффузии и приводит к так называемому полуэмпирическому уравнению диффузии.
