Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Состоявшаяся в 1992 году конференция в Рио де Жанейро по проблемам развития человеческой цивилизации подчеркнула, что одним из показателей устойчивого развития является динамика экосистем. Контроль динамики экосистем любого уровня, в частности, регионального, к каковым относятся экосистемы крупных городов, можно осуществить при условии обеспечения оценки техногенного воздействия на ее компоненты и соответствующего управления этим воздействием.
Разработкой научно-обоснованных методов контроля состояния и оценки качества окружающей природной среды крупных городов с помощью обобщенных показателей ученые и специалисты разных стран занимаются уже несколько десятилетий. Однако проблема по-прежнему остается актуальной, поскольку имеющиеся показатели и методы их расчета, как правило, предлагаются для ограниченных областей применения, а в приложении к оценке экологической обстановки в городах ориентированы на характеристики состава компонентов окружающей их среды. Эти обстоятельства указывают на необходимость продолжения разработок новых обобщенных показателей, в том числе индикаторов и индексов качества, способных описывать свойства компонентов окружающей среды городов, а также изменения в характере процессов и явлений, происходящих в них.
Возрастающие требования к контролю и оценке качества компонентов природной среды не могут быть удовлетворены существующими системами контроля, опирающимися на ресурсно-загрязняющую парадигму и устаревшие методики расчета обобщенных показателей, по существу отслеживающими лишь состав компонентов природной среды городов, что обуславливает актуальность проблемы разработки новых систем экологического контроля крупных городов.
Анализ публикаций показывает, что в настоящее время как в России, так и за рубежом, имеется настоятельная потребность в дальнейшей разработке и совершенствовании существующих методов контроля состояния и оценки качества главных компонентов окружающей природной среды города и схем управления этим качеством.
Новые системы контроля и управления качеством компонентов
окружающей среды городов требуют значительного улучшения их информационного обеспечения. Важным является поиск ответов на вопросы типа: какая нужна информация, в каком объеме, как правильно ее обработать, какие приборы и аппаратура нужны для ее получения, как информацию "свернуть" и в какого типа обобщенные показатели трансформировать, и, наконец, в каком виде информация должна быть передана в систему поддержки принятия решений.
Не вызывает также сомнения актуальность совершенствования и улучшения приборно-аппаратного обеспечения систем контроля и мониторинга, создания приборов с новыми функциональными возможностями. Они должны осуществлять измерения характеристик при исследовании процессов и явлений, протекающих в окружающей природной среде, городов и удовлетворять требованиям к инструментальным данным, получаемым с помощью дистанционных методов, в частности, с использованием систем микроспутникса. Расширение областей применения имеющихся и ранее разработанных приборов и аппаратуры, позволяющих реализовывать дистанционные методы получения требуемых данных, существенно упрощает решение задачи. Особую роль при этом играют косвенные оптические методы, с помощью которых обеспечивается получение информации об объекте в разных диапазонах электромагнитного спектра.
Таким образом, актуальность проблемы в целом обусловлена ее составляющими по следующим трем аспектам:
-
необходимостью разработки новых методов оценки экологической обстановки в городах, основанных на универсальных обобщенных показателях и способах их расчета, позволяющих представлять информацию в удобных и наглядных формах;
-
необходимостью разработки новых систем контроля и оценки качества окружающей среды крупных городов и схем управления качеством природных компонентов;
-
необходимостью разработки новых и привлечения уже созданных приборов и аппаратуры, обеспечивающих системы контроля требуемой информацией.
В нашей стране проблемой, разработки систем контроля состояния окружающей среды и оценки качества ее главных компонентов в городах занимаются большое число научных, правительственных и иных организаций и центров, в частности,
Институт географии РАН (г.Москва), НИЦЭБ РАН (С.-Петербург), Институт географии СО РАН (г.Иркутск), Госуниверситет (г.Томск) и ряд других организаций и институтов различного ведомственного подчинения. Этой проблеме посвящены работы Ю.А.Израэля, К.Я.Кондратьева, Н.Н.Моисеева А. А. Григорьева, В.И.Данилова-Данильяна, В.Г.Горшкова, К.С.Лосева, В.К.Донченко, БАИванова,-ЭАНовикова, Н АНовикова, Э.Ю.Безуглой и др.
Работы по созданию необычных и бессеребряных способов: регистрации оптической информации и аппаратуры, работающей на -их основе, а также преобразователей оптического изображения на многослойных структурах проводились в научных центрах г.г. Москвы (ИКИ), Ленинграда (ГОИ и ВНИИТ), Киева (Госуниверситет), Кишинева (Госуниверситет), Вильнюса (НИИ электрографии), Орджоникидзе (НИИ электронных материалов) и др.
Основные положения диссертации базируются на результатах
исследований и разработок, проведенных автором в 1978-1997 гг. в
Государственном университете Молдовы (г.Кишинев) и в период его
работы в НИЦЭБ РАН*(Санкт-Петербург). Работы проводились по
заданию и в соответствии с Координационными планами НИР и ОКР
бывших Госкомитета СССР по науке и технике, Министерства
высшего и среднего специального образования СССР, других
ведомств (Минвуз., N ГР81002967 "Разработка технологии получения
полупроводниковых соединений, их комплексное исследование с
целью создания новых полупроводниковых материалов", ГКНТ,
Раздел 03.01. Комплексные программы ОТС 038, Экологические
программы для Республики Молдова, Задание Минвуза N
01.9.10014857 - многослойные полупроводниковые элементы ввода и
предварительной обработки массивов информации в ОСВМ, N
01.9.100114856 - оптические и кинетические явления в
пространственно-неоднородных твердотельных системах,
Общесоюзная , научно-техническая программа специального назначения "Ренессанс-2000" в соответствии с решением Государственной комиссии Совета Министров СССР по ВПВ от. 25.04.88 N139. и др.).
ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ настоящей работы является экосистема города, контроль и оценка ее состояния и качества, способы регистрации и обработки информации.
ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются главные -компоненты -. окружающей природной среды крупных городов :и, городов-ч
мегаполисов, приборы и аппаратура записи и обработки информации.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка современной системы контроля и оценки качества главных компонентов окружающей среды крупных городов и ее информационного обеспечения с использованием обобщенных показателей и методов их расчета, а также теоретическое обоснование и разработка регистраторов оптической информации, приборов и аппаратуры нового поколения на их основе, способных обеспечить систему контроля требуемыми данными.
ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в том, что объективная оценка экологического состояния городской экосистемы должна осуществляться на основе контроля не только состава, но и свойств главных природных компонектоз, а также слежения за характеристиками процессов и явлений, происходящих в окружающей среде городов, что может быть осуществлено только на принципиально новой критериальной и инструментальной базе.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:
-
Предложить модель городской экосистемы и методы описания ее состояния и качества, для чего на основе системного подхода структурировать и ранжировать некоторые понятия прикладной экологии в применении к городской экосистеме, дать или уточнить их определения и разработать количественные меры и аналитические выражения для их оценки.
-
Разработать обобщенные показатели, способ их построения и методы расчета, на основе которых возможно осуществлять контроль характеристик процессов, явлений, состава и свойств компонентов окружающей среды городов. Разработать систему моделей оценки качества компонентов городской экосистемы, а также методы идентификации источников загрязнения, позволяющих получить количественные оценки и преобразовать информацию в форму, удобную для передачи в систему поддержки принятия решений.
-
Предложить оригинальную систему контроля и оценки качества городской экосистемы, основанную на использовании нового поколения приборов и аппаратуры и обобщенных показателей -индексов качества. Выработать требования к ее информационному и инструментальному обеспечению, а также к измеряемым
характеристикам, их количеству и типу. Дать рекомендации в систему поддержки принятия решений по обеспечению нормального функционирования системы контроля, для чего предложить схему управления качеством компонентов городской экосистемы.
-
Провести теоретические и экспериментальные исследования регистраторов оптической информации - фототермопластических носителей - с дискретизированными электрическими, реологическими и оптическими свойствами с целью улучшения их фотографических характеристик и повышения информационной емкости; предложить технологию их изготовления.
-
Изготовить образцы носителей, провести их испытания и анализ функциональных возможностей для использования в аппаратуре фототермопластической записи, предложить новые области применения аппаратуры, в том числе для обеспечения измерений установленных показателей в системе контроля и оценки качества окружающей среды городов.
-
Теоретически и экспериментально исследовать и подобрать полупроводниковые и светомодулирующие материалы для разработки и изготовления новых конструкций преобразователей оптического изображения с улучшенными сенситометрическими характеристиками в различных вариантах исполнения, способных регистрировать и обрабатывать оптическую информацию в разных диапазонах электромагнитного спектра и осуществлять измерения характеристик процессов, явлений и свойств в компонентах окружающей природной среды городов.
1. Система обобщенных показателей - индикаторов и индексов,
методы их расчета и модели, позволяющие обработать информацию
и получить количественную оценку состояния и качества
компонентов природной среды, могут быть построены на основе
использования показателей и параметров, описывающих и
характеризующих процессы, явления, состав и свойства компонентов
окружающей среды в городах и на неурбанизированных территориях.
2. Создание современной системы экологического контроля
окружающей среды регионального уровня применительно к крупным
городам и городам-мегаполисам, обеспечивающей комплексную
оценку экологической обстановки, ее организационная структура,
требования к ее информационному обеспечению и схемы управления качеством природных компонентов может быть реализовано применением аппаратуры нового поколения космического, авиационного и наземного базирования и обработкой информации на основе обобщенных показателей с использованием результатов расчета предложенных моделей.
3. Получение регистраторов оптической информации -
фототермопластических носителей - для аппаратуры нового
поколения, с улучшенными на 20-30% фотографическими
характеристиками, разрешающей способностью до 300 лин/мм и
повышенной информационной емкостью, достижение высоких
значений технических характеристик аппаратуры на их основе
обеспечивается дискретизацией электрооптических и
реологических свойств носителя с использованием обнаруженных
эффектов усиления и самоусиления фотоструктурных превращений
в полупроводниковом слое носителя.
4. Новые конструкции преобразователей оптического
изображения с повышенной на 1-2 порядка энергетической
чувствительностью, разрешающей способностью 10-20 лин/мм и
быстродействием 1-10 кадр/с, могут быть созданы путем
варьирования составом и электрооптическими параметрами
полупроводникового и светомодулирующего слоев GaAs(Cr), CdTe,
Si(Au), Si(Zn), КДП, ДКДП, ЖКС-37, ЖК-1001, ЖК-616, ЖК-654 и др.,
применением оригинальных схем матричных фокусирующих
электродов, конденсоров электрических зарядов и полей, а также
методов пространственного кодирования записывающего света.
- выявлена и доказана возможность объективной оценки экологической обстановки в городах путем определения необходимых и достаточных (стандартизированных) показателей состава, свойств, процессов и явлений в городской экосистеме и сравнения, их с аналогичными значениями неурбанизированных территорий, принятыми за базу для отсчета;
- обоснована и введена новая универсальная форма представления информации о состоянии и качестве окружающей среды городов, базирующаяся на системе индексов и составляющих
экологического риска и методах их расчета; теоретически обоснован интервал оптимального уровня составляющей экологической безопасности (0,4-0,6) и целесообразность использования линейной шкалы (вместо логарифмической) при расчетах для удобства пользования информацией в системе поддержки принятия решений;
- разработана новая система контроля и оценки качества
окружающей среды городов, предложена схема управления
качеством компонентов городской экосистемы, установлены
требования к полю данных наблюдения и приборно-аппаратному
обеспечению предложенной системы контроля; предложена система
моделей, с помощью которой реализуется оценка качества
компонентов окружающей среды в городах и требуемая информация
представляется в удобной и простой форме, а также методы
идентификации источников экологической опасности;
установлены неизвестные ранее закономерности физических процессов, протекающих в сложных многослойных структурах, использование которых позволило создать регистраторы оптической информации - гибкие фототермопластические носители - с улучшенными фотографическими характеристиками и повышенной информационной емкостью, повысить технические характеристики аппаратуры на их основе, а также расширить области применения аппаратуры фототермопластической записи;
созданы новые конструкции преобразователей оптического изображения различных типов, работающие в разных диапазонах оптического спектра, с пороговой чувствительностью на 1-2 порядка выше по сравнению с традиционными отечественными и зарубежными аналогами.
ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов и РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечивается: корректностью аналитических и численных методов исследований, положительными результатами экспериментальной проверки выводов теоретических исследований; наличием полученных результатов и показателей, допускающих сравнение и сопоставление с другими независимыми методами контроля и оценки состояния окружающей среды; положительными результатами проверки предложенных решений и натурных испытаний регистраторов информации и аппаратуры на их основе.
Материалы диссертации обсуждались и получили одобрение на ряде международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференций.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Общей методологической основой работы является системный подход, включающий анализ и научное обобщение опыта работ в области применения интегральных показателей к контролю состояния и оценке качества окружающей среды городов, с последующей проверкой результатов путем их сопоставления с данными, полученными другими методами.
Теоретические и экспериментальные исследования регистраторов информации и преобразователей оптического изображения были направлены на разработку и изготовление многослойных структур регистрации и обработки оптической информации с последующим испытанием их опытных образцов в приборах и аппаратуре на их основе.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов исследований заключается в следующем:
разработаны методические основы расчета уровня составляющей экологической безопасности, включающие способы введения и методы расчета индикаторов и индексов качества и позволяющие в целом улучшить комплексную оценку экологической обстановки;
разработан комплекс способов зарядки фототермопластического носителя и схемы зарядного устройства, позволяющие обеспечить высокое качество зарядки поверхности носителя;
- разработан оригинальный способ определения параметров
вязкоупругих сред, позволяющий определить требуемые
характеристики непосредственно в процессе течения вязких
жидкостей;
Разработанные и внедренные способы зарядки носителя и определения параметров вязкоупругих сред защищены авторскими свидетельствами. Автору присвоено звание "Изобретатель СССР".
материалы диссертации использованы при разработке с участием автора курса лекций и учебно-методических пособий по экологической безопасности для студентов Морского Технического университета Санкт-Петербурга;
под непосредственным руководством и при участии автора проведено внедрение разработанных материалов по формированию индексов качества и их применению при проведении оценок уровня экологической безопасности в научно-исследовательском центре информации, проблем природопользования и экологической безопасности при Правительстве Ленинградской области;
- созданная на основе фототермопластического носителя аппаратура
использовалась при проведении съемок земной поверхности с борта
космических объектов и самолетов;
- комплект аппаратуры термопластической записи продан в 1997г.
зарубежной фирме (Германия).
основная идея работы, постановка задач исследований и разработка методологии их решения; разработка универсальных обобщенных показателей - индексов, методов их расчета, моделей, а также методы идентификации источников экологической опасности;
обоснование и разработка оригинальной системы контроля, ее организационной структуры, схемы управления и требований к информационному и приборно-аппаратному обеспечению;
теоретическое и экспериментальное исследование процессов зарядки носителя и его деформации при записи информации, разработка способов и средств зарядки носителя;
теоретическое и экспериментальное исследование процессов усиления и самоусиления фотоструктурных превращений в стеклообразных халькогенидных полупроводниках;
разработка и внедрение новых решений в технологию изготовления. растрированных фототермопластических носителей с улучшенными фотографическими характеристиками и повышенной информационной емкостью, на основе которых при участии автора создана аппаратура дистанционного зондирования;
- руководство работами по созданию новых конструкций
преобразователей оптического изображения, теоретическое
обоснование, отбор и. исследование материалов для создания
преобразователей, чувствительных в рентгеновской области спектра.
В научных трудах, опубликованных в соавторстве, автор участвовал в той доле, которая указана в Заключении организации, где выполнена работа. Автор глубоко признателен всем коллегам, принявшим участие в совместных работах ив обсуждении полученных результатов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты и отдельные
положения работы докладывались автором на Международных,
Всесоюзных, Российских и иного уровня научных, научно-
технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, в том числе
на: ." :.-''--.;- /..;. :/.:,-: /'.,
2-й Всесоюзно-технической.- конференции "Высокоскоростная
фотография и метрология быстропротекающих процессов", Москва, 1983 г.,
4-й и 5-й Всесоюзных конференциях по бессеребряным и необычным фотопроцессам, Суздаль, 1984 г. и 1988 г.,
13-м Всесоюзном симпозиуме по реологии, Волгоград, 1984 г.,
1-м Всесоюзном совещании по стеклообразным полупроводникам, Ленинград, 1985 г.,
3-й Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике "Проблемы оптической памяти", Ереван, 1987 г.,
Научной конференции АН МССР и КГУ по итогам НИР за 1986-1990 гг. Кишинев, 1991 г.
Международной научно-практической конференции
"Экологические проблемы деятельности оборонной промышленности и Вооруженных сил России", С.-Петербург, 1995 г.,
1-й международной конференции "Проблемы ноосферы и устойчивого развития", С.-Петербург, 1335 г.,
Международной конференции "Индексы качества окружающей среды: информационно-аналитические основы", С.-Петербург, 1997 г.
Международной конференции "Стратегия экологической безопасности Санкт-Петербурга с использованием опыта Нидерландов", Санкт-Петербург, 1997 г.
Технические средства регистрации и обработки оптической информации демонстрировались на Международных выставках (Финляндия) и ВДНХ СССР и были удостоены золотой и серебряной медалей.
В полном объеме диссертация докладывалась и обсуждалась на объединенном семинаре ПНИЛ фототермопластической записи, кафедры электроники, НИЛ физики многослойных структур, кафедры теоретической физики, кафедры физики полупроводников и кафедры экологической химии Госуниверситета Молдовы, г. Кишинев, на расширенном заседании кафедры экологии, аэрологии и охраны труда и кафедры автоматизации производственных процессов СПГГИ в 1997 - 1998 годах, на совместном заседании лаборатории спектрального анализа, лаборатории физики атмосферы и кафедры аналитической химии Санкт-Петербургского Государственного университета.
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано автором в 46 работах, в том числе трех авторских свидетельствах,
подтверждающих новизну решений (32 из них приведены в автореферате).
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и выводов; изложена на 250 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 247 наименований и приложение.
