Введение к работе
Актуальность работы. Быстрое развитие методов и программных средств контроля параметров воздушной среды вызвано возросшей необходимостью наблюдения за экологическим состоянием атмосферы. Для предупреждения экологических катастроф и обеспечения безопасности людей в производственной зоне предприятий необходим постоянный контроль за уровнем содержания загрязняющих веществ в воздушной среде.
Федеральный закон «Об охране окружающей среды» № 7-ФЗ от 10.01.2002 г., закон г. Москвы «Об экологическом мониторинге в г. Москве» № 65 от 20.10.2004 г. определяют необходимость разработки методов и средств контроля процессов, происходящих в окружающей среде, в том числе и под влиянием антропогенных факторов.
Эффективным методом исследования воздушной среды атмосферы является метод лазерного инфракрасного (ИК) зондирования. Данный метод позволяет на основе принципов поглощения и рассеивания электромагнитного излучения получать данные о наличии и концентрации вредных веществ, что позволяет выявлять причины, механизмы, тенденции развития процессов, происходящих в атмосфере. Изучением обработки информации, полученной от систем лазерного зондирования воздушной среды занимаются такие отечественные ученые как: P.P. Агишев, В.Е. Зуев, B.C. Портасов, И.Д. Миценко, Г.Г. Ванеев, Е.С. Селезнева и др. Существующие в настоящее время методы и модели предназначены для изучения различных газов, температуры, давления, скорости, а также других параметров атмосферы. Эти методы трудоемки и требуют высокой квалификации персонала. Экспертные процедуры, в данном случае, строятся на определении наличия только одного вредного вещества. Поэтому возникает необходимость в разработке информационно-вычислительного комплекса для анализа данных, полученных от лазерных систем дистанционного зондирования воздушного бассейна атмосферы, который позволяет определять одновременно несколько вредных веществ и их концентрацию в режиме реального времени без участия эксперта.
Таким образом, задача разработки метода, алгоритма и соответствующего информационно-вычислительного комплекса интеллектуальной поддержки принятия решений для определения вредных веществ в воздушной среде и их концентрации является своевременной и актуальной.
Цели и задачи. Целью работы является создание математических и информационных моделей интеллектуальной поддержки принятия решений определения вредных веществ и их концентрации.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи.
1. Проведен анализ современных моделей, методов и алгоритмов обработки и автоматизированной идентификации сигналов для систем экологического контроля (мониторинга) окружающей среды с использованием лазерного ИК зондирования. Выявлены основные задачи и осуществлен выбор путей их решения.
Разработана методика интеллектуальной поддержки принятия решений определения вредных веществ и их концентрации на основе механизма немонотонного логического вывода и нейросетевых технологий.
Предложена модель принятия решений о наличии вредных веществ в воздухе атмосферы и разработан алгоритм реализации данной модели на основе использования логического формализма модифицируемых рассуждений.
Разработан метод определения концентрации вредных веществ в атмосфере на основе нейросетевых технологий с помощью специального представления спектра поглощения ПК излучения, полученного с лазерных систем дистанционного зондирования воздушного бассейна атмосферы.
Разработана архитектура и осуществлена программная реализация информационно-вычислительного комплекса для определения вредных веществ и их концентрации в воздушной среде с использованием лазерного ПК зондирования.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в ходе диссертационного исследования использовались методы логического вывода, методы оптимизации, математического моделирования, искусственных нейронных сетей, технологии разработки алгоритмов и программного обеспечения, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработаны модели интеллектуальной поддержки принятия решений на основе механизма немонотонного логического вывода и нейросетевых технологий.
Предложен алгоритм создания правил логического вывода, необходимых для принятия решений о наличии вредных веществ в воздушной среде на основе использования формального концептуального анализа. Это позволило автоматизировать процесс создания правил логического вывода и снизить нагрузку на эксперта.
Разработан метод определения концентрации вредных веществ в воздушной среде на основе аппарата искусственных нейронных сетей. Предложен алгоритм редукции нейронной сети, основанный на конкуренции синаптических связей между собой, что позволило сократить затраты памяти ЭВМ.
Создана методика интеллектуальной поддержки принятия решений для определения вредных веществ и их концентрации в воздушной среде на основе данных, полученных с систем лазерного ПК зондирования.
Разработана структура экспертно-информационной системы поддержки принятия решений для определения состава вредных веществ в окружающей среде на основе использования логического формализма модифицируемых рассуждений, позволяющая осуществлять логический вывод, построенный на информации, полученной в ходе экологического контроля.
Разработан информационно-вычислительный комплекс определения вредных веществ и их концентрации в воздушной среде на основе данных, полученных с систем лазерного ПК зондирования.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Разработана архитектура информационно-вычислительного комплекса и осуществлена его программная реализация. Комплекс предназначен для определения наличия вредных веществ и их концентрации в воздушной среде с использованием данных, полученных от систем лазерного ИК зондирования. Данный информационно-вычислительный комплекс может быть использован в системах экологического мониторинга и контроля объектов специального назначения. Разработанный информационно-вычислительный комплекс внедрен в ООО КБ «ЭлектронСистема».
Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационного исследования: алгоритм создания правил логического вывода на основе формального концептуального анализа, экспертно-информационная система на основе механизма немонотонного логического вывода и нейросетевая модель определения концентрации вредных веществ использованы в учебном процессе при подготовке специалистов по ГОСВПО 230102 на кафедре «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения информатики».
Апробация работы. Наиболее важные результаты докладывались на международной конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Украина, г. Одесса, 2006 г.), международной конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Украина, г. Одесса, 2007—2008 гг.), четвертой международной конференции - выставке «Экологические системы, приборы и чистые технологии» (г. Москва, 2010 г.), пятой международной конференции -выставке «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я» (г. Москва, 2010 г.).
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на кафедре «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе, 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ в Федеральной службе по собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) № 2008614970, 15.10.2008 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 4-х приложений.
Основная часть диссертации содержит - 143 страницы машинописного текста, включая 35 - рисунков и 7 - таблиц.
