Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы наблюдается увеличение парникового эффекта в атмосфере, повышение степени ее загрязненности, связанное с выбросами промышленных предприятий, что оказывает влияние на состояние атмосферного воздуха как промышленных зон, так и территории жилых микрорайонов, поэтому экологический мониторинг состояния атмосферного воздуха приобретает все более актуальное значение.
При этом цели экологического мониторинга состоят не только в определении уровней загрязнения, но и в прогнозировании технико-экологических и эколого-экономических рисков на основе собираемой и обрабатываемой информации. Под технико-экологическим риском понимается риск устойчивых техногенных воздействий на окружающую среду, объекты инфраструктуры и человека.
Для сбора информации о загрязнении используются сети автоматических постов контроля загрязнения атмосферы, функционирующие в составе локальных систем экологического мониторинга (СЭМ).
Функционирование СЭМ предполагает решение всего комплекса задач, связанных со сбором, обработкой и распределением мониторинговой информации в реальном масштабе времени, что невозможно без применения эффективных методов и средств контроля природной среды, использования современных информационных технологий, в частности, ГИС-технологий, SQL-ориентированных инструментальных систем и т.д. На основе обрабатываемой информации принимаются решения по управлению экологической обстановкой.
Исследованиям в этой области посвящен ряд работ зарубежных специалистов Дж. Андерсона, Р. Гарднера, У Хоммена, Г. Сутера, С. Бартелла, Дж. Ченга, а также отечественных ученых В.А. Осипова, Ю.А. Комиссарова, О.А. Дроздова, А.П. Шепелевского, Э.Ю. Безуглой, A.M. Горшенова, В.И. Каракеяна, В.Б. Кольцова, Т.П. Хаханиной и др. Проблема воздействия загрязнения природных сред на человека исследована, в частности, в диссертационной работе А.Ю. Ковалевой (МИЭТ), в которой предложена методология эффективного определения загрязняющих веществ в воде. Однако в указанной работе не рассмотрена задача оценки рисков без непосредственного проведения измерений.
Следует отметить, что к настоящему времени информационное
обеспечение контроля выбросов не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к автоматизированным информационно-измерительным системам и контроль осуществляется на основе современных методов анализа.
Однако проблемы совершенствования средств информационной поддержки СЭМ, в частности структур баз данных, методик прогнозирования и оценки технико-экологического риска, моделей оптимального размещения экологических постов и др. до сих пор полностью не решены.
Таким образом, актуальными являются исследования и разработка средств информационной поддержки, повышающих эффективность функционирования локальных СЭМ.
Целью диссертации является создание средств информационной поддержки локальных систем экологического мониторинга, обеспечивающих повышение эффективности процессов наблюдения, оценки и контроля состояния природной среды вблизи промышленных зон и объектов жилого сектора.
Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:
анализ современного состояния проблемы информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ в рамках локальных СЭМ;
формализация представления баз данных (БД) для создания средств информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ;
разработка методики проектирования БД для экологического мониторинга ОГИ, основанной на теории графов;
формализация задачи оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу;
5) разработка алгоритма количественной оценки технико-
экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу;
разработка методики размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы объектами городской инфраструктуры;
программная реализация предложенных методик для управления мониторингом ОГИ.
Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили системный подход к моделированию, элементы теории принятия решений, элементы теории вероятностей. Использованы методика информационного поиска, методы теоретического исследования, теория реляционных баз данных.
Научная новизна работы состоит в разработке совокупности научно обоснованных технических решений, направленных на создание и
программную реализацию новых методик и средств информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ, обеспечивающих повьппение оперативности обработки данных и обоснованности выбора постов контроля на основе модели количественной оценки технико-экологического риска.
В процессе исследований и разработок получены следующие научные результаты:
Разработано формализованное представление баз данных для создания средств информационной поддержки системы экологического мониторинга ОГИ.
На основе теории графов предложена методика проектирования эффективных логических структур БД для СЭМ, адаптированных под системные ограничения конкретных СУБД, сократившая время выполнения запросов в среднем на 15%.
Предложены формализованное представление и алгоритм количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу, с целью определения опасности совокупного воздействия загрязнения на исследуемой территории без проведения дорогостоящих экспериментов по измерению концентраций загрязнителей.
Разработана методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте для обоснованного проектирования сети постов экологического мониторинга и повысить точность проведения контроля параметров загрязнения без существенного увеличения числа экологических постов.
5. Предложена и верифицирована имитационная модель оценки
технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры
(на примере г. Зеленограда), учитывающая данные производственного
экологического контроля и данные от автоматических станций
мониторинга на территории населенного пункта.
6. Осуществлена программная реализация разработанных
методики и алгоритма для проектирования сетей постов
экологического мониторинга в населенных пунктах и предложены
новые местоположения установки постов в Зеленограде,
позволяющие повысить точность измерения загрязненности в среднем на
10% без увеличения количества постов.
Результаты работы подтверждены свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ №№2009612669, 2009612670, 2009612671, 2009612672.
Достоверность новых научных результатов подтверждается соответствием результатов теоретических исследований и имитационного моделирования, а также их успешным внедрением в ПНИР и НИОКР. Использование результатов работы позволяет увеличивать точность измерения загрязненности в среднем на 10%.
Практическая ценность работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение предложенных методик и алгоритма для повышения эффективности локальных СЭМ.
Проведенные исследования и полученные результаты применимы для создания программных средств экологического мониторинга производственных объектов на территории населенных пунктов. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программного обеспечения.
Самостоятельное практическое значение имеют:
методика проектирования БД для экологического мониторинга ОГИ;
алгоритм количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу;
методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте;
программная реализация предложенных методики и алгоритма.
Результаты имитационного моделирования показали, что
погрешность оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры (на примере г. Зеленограда) по результатам моделирования и на основании данных о среднегодовых значениях концентраций примесей на стационарных постах контроля атмосферного воздуха погрешность оценки технико-экологического риска не превышает 0,3%. Применение методики размещения постов мониторинга, основанной на данной оценке, позволяет повысить точность измерения загрязненности в среднем на 10% без увеличения количества постов.
Предложенные методики и алгоритм целесообразно использовать для оценки риска на территориях, где не производятся замеры концентраций примесей, а также для моделирования динамики риска при изменении параметров функционирования ОГИ (изменение интенсивности и/или состава выбросов, изменение расположения источников загрязнения и т.д.).
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены автором лично. Главными из них являются следующие.
Разработано формализованное представление БД для создания информационного обеспечения системы экологического мониторинга ОГИ.
Разработана методика проектирования эффективных логических структур БД для СЭМ.
Созданы формализованное представление и алгоритм количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу.
Разработана методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте.
Предложена и верифицирована имитационная модель оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры (на примере г. Зеленограда).
Создано программное обеспечение для проектирования сетей постов экологического мониторинга в населенных пунктах и предложены новые места установки постов в Зеленограде.
Автор диссертации принимал непосредственное участие в имитационном моделировании, испытаниях и внедрении результатов диссертационных исследований.
Реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Национального исследовательского университета «МИЭТ» и являлась частью исследовательских мероприятий в рамках ПНИР «Разработка теоретических основ для создания программных средств для задач информационного мониторинга распределенных производственных объектов повышенной опасности» Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (шифр заявки 2011-1.3.2-113-002/22, государственный контракт №14.740.11.1146 от 09.06.2011г., руководитель - Теплова Я. О.) и НИОКР по теме «Разработка информационной системы мониторинга экологически опасных объектов в городской инфраструктуре» проекта №14121 (договор №02/11 от 22.04.2011г., руководитель - Теплова Я.О.).
Все работы по программной реализации предложенных в работе методик проводились под руководством или при непосредственном
участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры в материалах курса «Компьютерные технологии в науке и образовании» для подготовки магистров по направлению 231000 «Программная инженерия», программа -«Программное обеспечение автоматизированных систем и вычислительных комплексов»; разработан учебно-методический комплекс дисциплины «Информационные технологии в сфере безопасности» для подготовки магистров по направлению 280700 «Техно сферная безопасность», программа - «Энергетическая безопасность высоких технологий».
В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные положения:
1. Предложенная методика проектирования эффективных логических
структур БД для СЭМ основана на теории графов и временных
характеристиках функционирования БД, позволяет сократить время
выполнения запросов в среднем на 15%.
2. Разработанный алгоритм оценки технико-экологического риска,
обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу, предназначен для
определения опасности совокупного воздействия загрязнения на
исследуемой территории без проведения дорогостоящих экспериментов
по измерению концентраций загрязнителей.
Разработанная методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте основана на соответствии предполагаемых местоположений определенному критерию (оценка технико-экологического риска) и применима для оптимизации существующих сетей постов мониторинга.
Созданные методики и алгоритм реализованы программно. Разработана и верифицирована модель оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры г. Зеленограда. Предложены новые местоположения установки постов в Зеленограде, позволяющие повысить точность измерения загрязненности в среднем на 10% без увеличения количества постов.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях.
1) 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая
конференция «Микроэлектроника и информатика-2009». МИЭТ, апр.
2009 г.
2) 4th International IT Conference 2009 "LIFE IT: IT meets environmental
and sustainable energy technologies", Университет г. Хаген, Хаген,
Германия, май 2009.
Доклад по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («УМНИК»), 2009 г.
X Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 - проект «Разработка имитационной модели экологических процессов и рисков, связанных с экологически опасными объектами в городской инфраструктуре», 2010 г.
5) Всероссийская Конференция с международным участием
«Проведение научных исследований в области обработки, хранения,
передачи и защиты информации», Москва, ВВЦ, 25-28 октября 2011 г.
6) 4-я Всероссийская научно-практическая конференция
«Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и
экономике», МИЭТ, 26-28 октября 2011 г.
По результатам исследования опубликовано 14 работ: в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень, утвержденный ВАК, тезисы докладов на конференциях - 5, публикация в межвузовском сборнике научных трудов - 1, свидетельства о регистрации программ для ЭВМ - 4. Автор диссертации является победителем конкурса проектов по программе «УМНИК», проект «Исследование информационной системы мониторинга экологически опасных объектов в городской инфраструктуре», 2009г., а также лауреатом медали ВВЦ по результатам X Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2010», проект «Разработка имитационной модели экологических процессов и рисков, связанных с экологически опасными объектами в городской инфраструктуре», 2010г..
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 179 страницах, включает 15 рисунков и 15 таблиц. Список литературы содержит 103 источника.
