Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1 .ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 11
1.1. Экспертиза объектов. Экспертные системы 11
1.1.1. Основные понятия 11
1.1.2. Характеристики экспертных систем 11
1.1.3. Неопределенность в описании объектов, характеризующих деятельность промышленного предприятия 13
1.1.4. Базовые функции экспертных систем 15
1.1.4.1. Приобретение знаний 15
1.1.4.2. Представление знаний 15
1.1.4.3. Управление процессом поиска решения 16
1.1.4.4. Разъяснение принятого решения .' 16
1.1.5. Этапы разработки нечеткой экспертной системы эколого-экономического анализа 17
1.1.5.1.Этап идентификации 18
1.1.5.2.Этап концептуализации 19
1.1.5.3.Этап формализации 20
1.1.5.4.Этап выполнения 20
1.1.5.5.Этап тестирования 20
1.1.5.6.Этап опытной эксплуатации 21
1.1.6. Обзор программ для моделирования экспертных систем 21
1.1.7. Выводы по задаче создания модели и комплекса программ экспертизы объектов в условиях неопределенности 22
1.2. Анализ экологической безопасности предприятия 24
1.2.1.Основные понятия 24
1.2.1.1. Экологическая безопасность 24
1.2.1.2. Экологические ущербы 24
1.2.2. Система критериев оценки экологической безопасности 24
1.2.2.1. Комплексный показатель оценки безопасности 26
1.2.2.2. Стоимостные показатели оценки экологической безопасности 26
1.2.2.2.1.Оценка удельных ущербов 27
1.2.2.2.1.1 Экономическая оценка ущерба от загрязнения атмосферного воздуха 27
1.2.2.2.1.2. Экономическая оценка ущерба от загрязнения водоемов 27
1.2.2.2.1.3. Экономическая оценка ущерба от шума и вибрации 28
1.2.2.2.1.4. Экономическая оценка ущерба биоресурсам 28
1.2.2.2.1.5. Экономическая оценка ущерба от загрязнения земель 29
1.2.2.2.2. Оценка экологических платежей 29
1.2.2.2.2.1. Плата за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников 31
1.2.2.2.2.2. Плата за сбросы загрязняющих веществ.в поверхностные и подземные водные объекты 33
1.2.2.2.2.3. Плата за хранение и размещение отходов 33
1.2.3. Обзор существующих программных продуктов для анализа экологической безопасности 34
1.2.4. Выводы по подзадаче анализа экологической безопасности промышленного предприятия 37
1.3. Постановка задачи 38
1.4. Модель нечеткой экспертной системы 40
1.4.1. Типы исходных данных : 42 -
1.4.2. Схема принятия решения на основе нечеткого логического вывода 42
1.4.2.1. Определение нечеткого логического вывода 43
1.4.2.2. Композиционное правило нечеткого вывода Л. Заде 46
1.4.2.3. Нечеткий логический вывод по Мамдани 47
1.4.2.4. Нечеткий логический вывод Сугено 49
1.4.2.5. Синглетонная модель нечеткого логического вывода 51
1.4.2.6. Выводы по схемам нечеткого логического вывода 52
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ИЕРАРХИЧЕСКОГО НЕЧЕТКОГО ВЫВОДА ПО СУГЕНО 53
2.1.Иерархические системы 53
2.1.1. Системы иерархического нечеткого логического вывода 53
2.1.2. Математическая модель иерархического нечеткого вывода 55
2.1.3.Алгоритм иерархического нечеткого вывода 58
2.2. Структурная схема нечеткой экспертной системы анализа экологической безопасности горнопромышленного предприятия 60
2.2.1. Исходные данные 61
2.2.2. Представление аналитических показателей в виде лингвистических переменных 63
2.2.2.1. Построение функций принадлежности на основе экспертных данныхбЗ
2.2.2.1.1. Типы шкал 63
2.2.2.1.2. Методы измерений 64
2.2.2.1.3. Классификация методов построения функции принадлежности...65
2.2.2.1.3.1. Прямые методы для одного эксперта 66
2.2.2.1.3.2. Косвенные методы для одного эксперта 67
2.2.2.1.3.3. Групповые методы 69
2.2.2.1.3.4. Выводы по методам построения функций принадлежности 70
2.2.2.2. Построение функций принадлежности для входных переменных нечеткой экспертной системы анализа экологической безопасности горнопромышленного предприятия 71
2.2.2.2.1. Подзадача оценки значимости территории 71
2.2.2.2.2. Стоимостная оценка экологической безопасности 72
2.2.2.2.3. Переменные, характеризующие ликвидность 74
2.2.2.2.4. Лингвистические переменные, определяющие степень деловой активности 75
2.2.2.2.5. Лингвистические переменные, характеризующие финансовую устойчивость •. 75
2.2.2.2.6. Лингвистические переменные, описывающие рентабельность 77
2.2.3. Система правил нечеткого вывода 78
2.2.4. Математическая модель нечеткой экспертной системы, основанная на иерархическом нечетком выводе 79
3. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ НЕЧЕТКОЙ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА 81
3.1. Требования, предъявляемые к автоматизированной системе 81
3.2. Обоснование выбора инструмента реализации ." 83
3.2.1. Java (J2SE 6.0) 84
3.2.2. Apache Derby 10.2.1.6 85
3.2.3. Hibernate 3.2.0 86
3.2.4. Swing/AWT 87
3.3.Объектно-ориентированная интерпретация модели программного комплекса и объектно-ориентированный подход 89
3.4. Главный модуль программы - JFuzzy 90
3.5. Реализация графической компоненты в модуле JFuz2yTool 93
3.5.1. Объекты редактирования 94
3.5.1.1.Основные понятия 94
3.5.1.2. Логика классов 94
3.6. Информационное обеспечение системы 99
3.6.1. Формат базы данных 99
3.6.2. Перечень и краткое описание таблиц базы данных 100
3.6.3. Определение табличных связей 103
3.7. Работа с программой JFuzzy Tool 1.0 108
3.7.1. Общий алгоритм работы с программой JFuzzyTool 1.0 109
3.7.2. Алгоритм работы с нечеткой экспертной системой, созданной в программном модуле JFuzzyTool 1.0 113
4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ПРОВЕДЕННЫЕ В РАЗРАБОТАННОМ КОМПЛЕКСЕ ПРОГРАММ JFUZZYTOOL 1.0 115
4.1. Эксперименты на тестовых примерах 115
4.2. Эксперименты на реальных данных. Анализ экологической безопасности ОАО «Кварц» 123
4.2.1. Исходные данные для вычислительных экспериментов 124
4.2.2. Аналитические показатели - числовые значения лингвистических оценок. 125
4.2.3. Результаты работы нечеткой экспертной системы анализа экологической безопасности горнопромышленного производства 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
ЛИТЕРАТУРА 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОРГАНИЗАЦИЯ ТАБЛИЦ БАЗЫ ДАННЫХ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА 153
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. XML-СТРУКТУРА НЕЧЕТКОЙ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА 162
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ВЫДЕРЖКИ ИЗ АУДИТОРСКОГО ЗАКЛЮЧЕНИЯ 167
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ЭКОНОМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ 175
Введение к работе
В системах управления деятельностью сложных явлений и процессов, таких как производственная деятельность промышленного предприятия, процессы принятия решений часто протекают в условиях неопределенности и основываются на внешней и внутренней экспертизе. Экспертиза осуществляется в рамках экспертной деятельности, и ее результатом выступают экспертные оценки. Содержание экспертной деятельности включает решение совокупности экспертных задач: интерпретация, диагностика и мониторинг, прогноз, планирование. Указанные задачи в качестве исходных данных могут применять нечеткие значения в виде экспертных оценок. Решения задач экспертной деятельности, связанной с диагностикой процессов функционирования систем в условиях неопределенности, состояния которых представлены экспертными, нечеткими значениями, не нашли адекватного решения в настоящее время. Их решение целесообразно искать на основе развития нового направления в области нечетких множеств и «мягких» вычислений.
С помощью символьной обработки информации не удается решить прикладные задачи многих предметных областей, если для них невозможно получить полную информацию и если их определение недостаточно полно. Такая ситуация характерна для:
• сложных технических систем;
• систем экономического планирования;
• социальных систем большой размерности;
• систем принятия решений.
При проведении экспертиз важным условием успеха является возможность формализовать информацию, не поддающуюся количественному измерению, так,-чтобы помочь принимающему решение выбрать из множества действий одно. Поэтому в вопросах, связанных с теорией измерений, основное место отводится понятию шкалы измерения. В зависимости от того, по какой шкале идет измерение, экспертные оценки содержат больший или меньший объем информации и обладают различной способностью к математической формализации.
В основании всякой теории из любой области естествознания лежит очень важное, основополагающее для ее построения понятие элементарного объекта. Для теории нечетких множеств основополагающим понятием является понятие нечеткого множества, которое характеризуется функцией принадлежности. Посредством нечеткого множества можно строго описывать присущие языку человека расплывчатые элементы, без формализации которых нет надежды существенно продвинуться вперед в моделировании интеллектуальных процессов.
Большинство реальных процессов имеет иерархическую структуру. Изучение таких структур и применение полученных результатов для анализа реальньтх объектов и процессов отражено в работах Саати, Такахаро и других исследователей. Методы теории нечетких множеств являются удобным средством моделирования, анализа и синтеза человеко-компьютерных систем, но ряд вопросов иерархического нечеткого вывода остается открытым. Поэтому изучение нечетких иерархических систем является актуальной задачей, имеющей не только теоретический, но и практический интерес.
В последние годы определился и практически осуществился переход от автоматизированных систем анализа состояния сложных технических систем к экспертным системам, работающим на основе логического приближенного вывода. Отмеченная тенденция связана с резким усложнением современных технических систем, и, в частности, экологической безопасности горнодобывающих производств.
Сегодня во всем мире принято уделять большое внимание проблемам экологии. Деятельность человека по освоению природной среды породила не только новые возможности роста благосостояния человечества, но и привела к глубокому кризису состояния окружающей среды. Поскольку ни один руководитель не будет работать себе в ущерб, очень важно соблюсти баланс между экологической безопасностью, требующей значительных денежных вливаний, и экономической эффективностью деятельности хозяйствующего субъекта. Для принятия управленческого решения в этом случае целесообразно использовать математическое моделирование.
В связи с этим, исследование, назначением которого является разработка математической модели и комплекса программ экологической безопасности горнодобывающего производства на основе иерархического нечеткого вывода, является, несомненно, актуальным.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели экологической безопасности горнодобывающего производства и комплекса программ экспертизы факторов такого производства для нечетко заданных исходных данных.
Научная новизна определяется следующим:
1. Создан механизм и алгоритмы иерархического нечеткого вывода, позволяющий осуществлять экспертизу объектов с нечетко заданными исходными данными.
2. Построена математическая модель экологической безопасности горнодобывающего производства на основе иерархического нечеткого вывода по Сугено с нечетко заданными факторами.
3. Разработана объектно-ориентированная архитектура комплекса программ экспертной системы экологической безопасности.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ и алгоритмы иерархического нечеткого логического вывода являются - эффективным способом построения -экспертных систем, -содержащих в качестве исходных данных лингвистические переменные.
2. Математическая модель экологической безопасности горнодобывающего производства на основе иерархического нечеткого вывода по Сугено позволяет анализировать состояние экологической безопасности на предприятии без привлечения эксперта.
3. Объектно-ориентированная архитектура комплекса программ экспертизы факторов экологической безопасности горнодобывающего производства может использоваться предприятиями отрасли для повышения качества оперативного контроля за состоянием окружающей среды.
Практическая значимость работы. Разработанная нечеткая экспертная система анализа экологической безопасности используется в производстве и позволяет автоматизировать трудоемкий процесс получения экспертного заключения. Благодаря чему, руководитель предприятия может без привлечения внешних аудиторов своевременно получить оценку текущего состояния экологической безопасности горнопромышленного производства. А эксперт-специалист при ее использовании может сократить затраты рабочего времени на написание экспертных заключений.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации оформлены в виде комплекса программ JFuzzyTool 1.0, зарегистрированного Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным . знакам (патент № 2007614448 от 23.10.2007 г.) и используются в деятельности открытого акционерного общества «Кварц» (пос. Силикатный, Сенгилеевский район, Ульяновская область) и экспертом, членом НП «Горнопромышленники России», Танеевым Ф Г.
Апробация исследований. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на 10 международных конференциях, в том числе на П-ой международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза,-2007);-П-ой международной -конференции «Системный анализ и информационные технологии», САИТ-2007 (Обнинск, 14-18 сентября 2007г.); IV-ой международной научно-практической конференции «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте» (Коломна, май 2007г.), на конференциях "Interactive Systems and Technologies: The Problem of Human-Computer Interaction" (Ulyanovsk, 24-27 September, 2005 г. и 25-28 September 2007 г.); Х-ой национальной конференции с международным участием КИИ-2006 (Обнинск, сентябрь 2006 г.). Неоднократно докладывались на научно-технических конференциях УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях».
Публикации. По теме диссертации опубликовано, 17 работ, в том числе одна статья в издании из перечня ВАК, получен 1 патент и 1 свидетельство регистрации программно-информационного продукта в областном фонде алгоритмов и программ при УОЦ НИТ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 178 страниц машинописного текста, 29 таблиц, 45 рисунков, список литературы из 140 наименований, 4 приложения.
В первой главе проводится анализ существующих математических моделей, используемых методов вычислительного интеллекта, программных средств для создания экспертных систем. Изложено текущее состояние различных исследований, ведущихся в этом направлении. Даны основные понятия в области, экологической безопасности промышленного предприятия, рассмотрены элементы структуры экспертной системы.
Во второй главе освещена разработка математической модели экспертной системы анализа экологической безопасности горнопромышленного производства на основе иерархического нечеткого вывода по Сугено
В третьей главе приводится обоснование выбора инструментария разработки, описывается объектно-ориентированная интерпретация модели программного комплекса, а также требования, предъявляемые к автоматизированным информационным системам. - -• •- В четвертой главе представлены результаты проведенных экспериментов, основанных как на реальных данных по предприятию, так и теоретические тесты сравнения результатов нечеткого вывода, полученных в разработанном комплексе программ, и компоненте Matlab FuzzyLogic ToolBox с экспертными оценками.
В приложении 1 приведена структура базы данных.
В приложении 2 содержится XML-структура экспертной системы анализа экологической безопасности горнодобывающего производства.
В приложениях 3-4 представлены выдержки из экспертного заключения
