Введение к работе
Актуальность. Современный период развития общества характеризуется сильным влиянием на него информационных технологий, использующих совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).
В настоящее время существенно увеличивается значение информационных технологий в различных областях человеческой деятельности, в том числе и в области охраны окружающей среды (ООС). Применение современных и перспективных информационных технологий позволяет интегрировать информационные потоки в прикладной отрасли ООС, образуя единое информационное пространство. Это позволяет контролировать состояние природной среды, влияние вредных и опасных факторов производственной среды на человека, своевременно реагировать и принимать меры к снижению или полному устранению негативного воздействия этих факторов.
Развитие современных предприятий, уделяющих необходимое внимание соблюдению требований действующего законодательства в области экологии, охраны труда и промышленной безопасности немыслимо без внедрения и функционирования соответствующих информационных систем.
Создание экологически безопасных технических систем - одна из важнейших задач экологии, невозможна без прогнозирования экологических факторов. Учеными, проводятся исследования, находящиеся на стыке самых разных наук: полимеры и биотехнология, плазмохимия, нанотехнологии, химия высокочастотных излучений, химия электромагнитных и электрических полей, тонкая органическая химия. За последнее время, благодаря таким исследованиям, был синтезирован большой ряд новых химических веществ, обладающих комплексом полезных свойств, найдены новые перспективные соединения.
Основная ответственность за управление возможными рисками, возникающими вследствие производства, размещения на рынке и использования химических веществ, а также за представление информации о токсичности и показателях опасности веществ и оценки риска от их негативного воздействия возложена на промышленность (ФЗ №52 от 30.03.1999г.). Эта информация должна предоставляться на всех этапах производства веществ и использоваться в последующих технологических цепочках. При дальнейшей обработке этих химических веществ потребители также должны отвечать за все аспекты безопасности их продукции и предоставлять информацию об их использовании и воздействии.
В России в рамках экологического нормирования организована многоступенчатая токсикологическая экспертиза веществ, конечным итогом которой для веществ технического назначения является распределение их по классам опасности.
Актуальность данной проблемы влечёт за собой необходимость разработки механизмов, средств и систем, позволяющих эффективно выполнить прогноз опасности малоизученных химических веществ на стадии проектирования, существенно сократив объем экспериментальной работы, что значительно упростит выбор экологически безопасного вещества по экономическим и временным показателям.
Цель работы: разработка инструментария для оценки и прогнозирования экологической опасности малоизученных органических веществ на основе анализа и обработки информации об их элементном составе, а также выборочных физико-химических и токсикологических характеристик статистических моделей вредного вещества каждого класса опасности.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач: На основе анализа предметной области сформировать обучающие и экзаменационные выборки органических веществ в соответствии с четырьмя классами опасности.
'Выражаю благодарность д.х.н., проф. Л.Н. Бутенко, д.х.н., проф. В.Е. Дербишер, к.т.н. Е.В. Дербишер за участие в постановке задачи, выработке общей концепции, руководстве и постоянное незаменимое сотрудничество.
Проанализировать закономерности связи выборочных факторов (элементного состава, молекулярной массы, физико-химических свойств) с классами опасности органических веществ.
На основе системного анализа и обработки имеющейся информации об элементном составе, молекулярной массе и выборочных физико- химических характеристиках разработать статистическую модель вредного вещества по каждому классу опасности.
Разработать методику и инструментальные средства для прогнозирования экологической опасности органических веществ с помощью определения расчетного класса опасности.
Провести численный эксперимент, доказывающий достоверность метода классификации на основе использования расчетного класса опасности вредных веществ.
Научная новизна:
На основе анализа предметной области впервые разработана и предложена модель вредного вещества в виде статистических образов по каждому классу опасности.
Разработана методика оценки и прогнозирования экологической опасности малоизученных веществ, отличающаяся от известных:
о обработкой информации об их элементном составе, а также выборочных физико-химических и токсикологических характеристик их классификационных моделей с применением кластерного анализа;
о применением к исходному пространству параметров обучающей выборки линейного преобразования.
Практическая ценность. Экзаменационная проверка разработанной методики оценки и прогнозирования экологической опасности химических веществ показала, что прогнозирование класса опасности веществ осуществляется с точностью: в первом классе -90,0 %; во втором классе - 88,5 %; в третьем классе - 91,0 %; в четвертом классе - 84,0 %; в среднем по контрольной выборке - 88,4 %. Эффективность оценки и прогнозирования экологической опасности предложенной методикой на 14,8 % превосходит аналогичные.
Оценка экологической опасности предложенной методикой позволит оптимизировать технологический процесс по экологическим и экономическим параметрам на стадии проектирования в короткий период времени. Общая сумма экономического эффекта от снижения затрат на диагностирование одного органического вещества на предприятиях химической промышленности, связанных с продажей, производством, переработкой, транспортировкой, хранением, утилизацией и уничтожением химической продукции (сырья) в пределах Волгоградской области составит более 6 млн. руб. Кроме этого, тщательно спланированный технологический процесс с использованием химических веществ с наименьшей экологической опасностью дает возможность предприятиям оптимизировать налоговую нагрузку и исключить штрафные санкции.
Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность полученных результатов доказывается результатами вычислительных экспериментов, в которых проводится сопоставление выборочных физико-химических и токсикологических характеристик известных органических веществ и характеристик системы, алгоритмическое обеспечение которой синтезировано на базе предложенного метода, с одноименными показателями, достижимыми другими методами и средствами.
Разработаны и вынесены на защиту:
Статистические образы - модели веществ четырех классов опасности органических веществ.
Методика прогнозирования экологической опасности органических веществ с помощью определения расчетного класса опасности.
Реализация результатов работы. Результаты работы использовались при создании программного комплекса прогнозирования опасности новых и малоизученных органических веществ.
Предлагаемый программный комплекс для определения расчетного класса принят в опытную эксплуатацию 4-мя организациями г.Волгограда, занимающихся экспертизой промышленной безопасности, охраной труда и окружающей среды: Волгоградский филиал
000 «ПРОМАНАЛИТИКА», Волгоградский филиал 000 «Системы управления производственными рисками», Волгоградский филиал ЗАО «Индустриальный риск». 000 «ИКПС», о чем свидетельствуют акты внедрения.
Апробация работы. Результаты исследований обсуждались на Международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ - 2010», Международной конференции IT+SE'2010 «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» -Украина, Крым, Ялта - Гурзуф, Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (ИННОВАТИКА -2010)», г.Сочи, 2-13 октября, 2010г., на III Санкт-петербургской конференции молодых учёных «Современные проблемы науки о полимерах» (апрель 2007г.), на всероссийских заочных электронных научных конференциях Российской Академии Естествознания (февраль, март, апрель 2007г.), на ежегодных научно - технических конференциях ВолгГТУ 2004 - 2007гг., на 16-ой Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 16» (г. Ростов на Дону, 2003г.), на 3-ей Международной конференции молодых ученых и студентов Поволжской молодежной академии наук (Самара, 2002г.).
Отдельные материалы, входящие в диссертацию обсуждались на конференциях Волгоградского государственного технического университета.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: 5 статей из списка изданий, рекомендованных ВАК, 9 статей в сборниках трудов, 5 докладов и 11 тезисов докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 4 глав, и заключения, включая литературный обзор, выводы, библиографию из 138 литературных источников (42 зарубежного издания, 28 сайтов), списка публикаций по теме диссертационной работы. Материалы диссертации изложены на 170 страницах машинописного текста, содержат 44 таблиц, 21 рисунок.
