Информационное обеспечение систем анализа состояния геотехнических объектов на основе обработки статистических данных Заяц, Евгений Викторович

Введение к работе

Актуальность задачи

Новейшие достижения в области науки и техники привели к резкому росту антропогенной нагрузки на окружающую природную среду, опасности и риска возникновения чрезвычайных ситуаций. Следствием этого является неспособность природы полностью компенсировать последствия негативного влияния хозяйственной деятельности человека. Накопление различного рода загрязняющих веществ в окружающей среде стало отрицательно влиять на формирование среды жизни для самого человека, и в конечном итоге привело к необходимости пересмотра основных принципов ведения хозяйства.

На современном этапе развития, когда резко возросла цена ошибки в планировании и осуществлении хозяйственной деятельности человека, наиболее перспективным является подход, основанный на управлении состоянием геотехнических объектов (ГТО). Под геотехническим объектом понимается совокупность природных и технических объектов, находящихся в тесной взаимосвязи и формирующих среду жизни человека. ГТО представляет собой открытую динамическую многокомпонентную систему, ограниченную в пространстве административными границами региона, обладающую диалектическим единством компонентов (природных и технических), территориальной разнородностью природной среды и особенностей техногенного воздействия. Состояние ГТО изменяется под влиянием природных процессов, деятельности человека, а также в результате поступления загрязняющих веществ из других регионов.

В настоящее время общепризнано, что управление состоянием сложной территориалыю-распределеннон, многосвязной динамической системы - «геотехнического объекта» невозможно без специального информационного обеспечения. В работах современных авторов отмечается, что информационное обеспечение систем анализа состояния геотехнических объектов является одной из важнейших составных частей системы управления экобезоияеноетыо территорий.

К числу приоритетных задач, связанных с информационным обеспечением систем анализа состояния ГТО относятся:

классификация территорий по значениям показателей состояния ГТО;

исследование взаимосвязи показателей состояния геотехнических объектов.

Исследованиям в этой области посвящено много работ. В них рассматриваются вопросы разработки математических, математико-картографических и математико-геоинформационных моделей, предназначенных для исследования

территориальной изменчивости показателей, характеризующих техногенное воздействие, состояние природных компонентов, опасность и риск возникновения чрезвычайных ситуаций, состояние здоровья населения. Выявляются и исследуются территориальные особенности стохастической взаимосвязи между различными показателями состояния. Однако вопросам эффективного использования фактически доступной информации при решении задач анализа состояния ГТО уделяется недостаточное внимание, что в конечном итоге снижает эффективность систем информационного обеспечения анализа состояния ГТО и как следствие снижает обоснованность принимаемых решений по управлению экобезопасностью.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность сформулированной темы исследования, направленной на разработку эффективных, с точки зрения использования фактически доступной информации, метода классификации территорий по значениям показателей состояний ГТО, метода оценки взаимосвязи показателей состояний ГТО, а также реализацию разработанных методов в виде прикладного программного обеспечения (ППО) в составе автоматизированной системы информационного обеспечения анализа состояния геотехнических объектов (АСИОАС ГТО).

Связь темы исследования с научными программами

Работа выполнена в период 1997-2000 г.г. на кафедре технической кибернетики Уфимского государственного авиационного технического университета и в отделе экологического мониторинга Научно-исследовательского института безопасности жизнедеятельности в рамках республиканских программ: "Экологическая безопасность Республики Башкортостан", "Создание Единой Государственной системы экологического мониторинга Республики Башкортостан", "Башкирская территориальная подсистема Единой государственной системы предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуации", "Детп-инвалиды" по заказу правительства Республики Башкортостан.

Цель работы

Целью работы являлось решение актуальной задачи, имеющей существенное значение для повышения эффективности информационного обеспечения систем анализа состояний геотехнических объектов по фактически доступным данным, которая заключается в разработке эффективных методов классификации территорий и оценки взаимосвязи показателей состояния ГТО по статистическим данным, реализации разработанных методов в виде ППО в составе АСИОАС ГТО и решения на их основе практических задач, связанных с анализом техногенной нагрузки на окружающую природную среду, оценки опасности, риска возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) и исследования показа-

тел ей состояния здоровья населения на территории Республики Башкортостан.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели в рамках выполненной диссертационной работы были решены следующие задачи:

1. Разработан метод построения классификационных шкал по статистическим данным, позволяющий эффективно использовать информацию, содержащуюся в выборочных данных, в том числе при малых по объему и низких по точности исходных данных.

2. Разработан метод оценки взаимосвязи показателей состояния ГТО, позволяющий с единых позиций подходить к исследованию взаимосвязи показателей состояния геотехнических объектов, измеряемых в разных шкалах (количественных, номинальных, ранговых).

3. Разработана инженерная методика классификации территории по выборочным значениям показателей состояния ГТО.

4. Полученные теоретические результаты были реализованы в виде прикладного программного обеспечения в составе автоматизированной системы информационного обеспечения анализа состояния ГТО; картографических материалов, предназначенных для решения прикладных задач, связанных с анализом техногенной нагрузки, оценки опасности и риска возникновения ЧС, исследования показателей состояния здоровья населения на территории Республики Башкортостан.

Методы исследования

В работе использовались методы математической статистики и теории вероятностей, методы теории информации, методы системного анализа, методы математического и геоинформационного моделирования.

Разработка программ для проведения статистических исследований осуществлялась на основе объектно-ориентированного подхода, применялась технология построения распределенных приложений (СОМ -технология).

Результаты, выносимые на защиту

Метод построения классификационных шкал, основанный на использовании эмпирической функции распределения случайной величины, выборочных оценок первых двух начальных моментов, границ физически возможных значений случайных величин и объемов выборок.

Информационный метод оценки взаимосвязи показателей состояния геотехнических объектов, основанный на впервые предложенном коэффициенте информационной связи.

Инженерная методика классификации территории по выборочным дан-

ным, основанная на разработанном методе построения классификационных шкал и использующая стандартные методы геоинформационных систем (ГНС) для отображения результатов классификации.

Прикладное программное обеспечение подсистемы классификации территорий и исследования взаимосвязи показателей состояния ГТО в составе автоматизированной системы информационного обеспечения анализа состояния ГТО.

Тематические подборки картографических материалов, предназначенных для решения прикладных задач, связанных с анализом техногенной нагрузки, оценки опасности и риска возникновения ЧС, исследования показателен состояния здоровья населения на территории Республики Башкортостан..

Научи-ля новизна результатов

1. Научная новизна разработанного метода построения классификационных шкал заключается в том, что в отличие от известных методов группирования выборочных данных, основанных на учете лишь объемов выборок либо статистических моментов третьего и четвертого порядков, при разработке классификационной шкалы учитываются статистические особенности выборки, выраженные совокупностью таких характеристик, как эмпирическая функция распределения случайной величины, выборочные оценки двух первых моментов, границ физически возможных значений случайной величины, объема выборки. Это позволяет более полно использовать фактически доступную информацию, содержащуюся в выборочных данных, и за счет этого повысить объективность классификации.

2. Научная новизна предлагаемого информационного метода оценки взаимосвязи показателей состояния ГТО заключается в использовании для анализа взаимосвязи впервые предложенного коэффициента информационной связи, что позволяет с единых позиций подходить к исследованию взаимосвязи показателей измеряемых в количественных, ранговых и номинальных шкалах.

Практическая значимость полученных результатов

5. Методика классификации территорий по статистическим данным позволяет осуществлять классификацию территорий по выборочным значениям показателей, для которых отсутствуют предварительно разработанные шкалы, что повышает объективность анализа состояния ГТО по фактически доступным данным.

6. Информационный метод оценки взаимосвязи показателей состояния позволяет с единых позиций подходить к исследованию взаимосвязи показателей состояния, измеряемых в количественных, ранговых или номинальных шкалах, что дает возможность осуществлять комплексный анализ взаимосвязи

показателен состояния ГТО по фактически доступным данным.

3) Прикладное программное обеспечение позволяет решать задачи исследования взаимосвязи показателей состояния ГТО и осуществлять классификацию территорий по значениям показателей состояния ГТО. Кроме того, предоставляет средства для подготовки тематических подборок картографических материалов.

Полученные результаты в виде методик, ППО и картографических материалов внедрены в Министерстве по делам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций Республики Башкортостан, Министерстве здравоохранения Республики Башкортостан.

Апробация работы

Основные теоретические и практические результаты работ докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:

1. Международная научно-техническая конференция «Экологические проблемы промышленных зон Урала», Магнитогорск 1997;

2. Третья международная конференция пользователей программных продуктов фирм ESRI и ERDAS, Москва 1997;

3. Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы», Уфа 1997;

4. Международная конференция «Научно-практические проблемы рационального потребления воздуха. Воздух-98», Санкт-Петербург 1998;

5. Российская научно-практическая конференция «Общероссийские и региональные проблемы обеспечения национальной безопасности, Уфа 1998;

6. Республиканская научно-практическая конференция "Проблемы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций и обеспечения экологической безопасности", Уфа 1999;

7. Пятый международный симпозиум «Чистая вода России - 99». Екатеринбург 1999;

8. Международный научно-технический семинар "Проблемы трансфер технологий UfaTT-99", Уфа 1999;

9. Международная научно-техническая конференция "Наука - Образование - Производство в решении экологических проблем", Уфа 1999;

10.2-nd International Workshop on «Computer Scince and Information Technologies» (CSIT'2000).

Всего по теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 5 статей и 7 тезисов докладов.

Структура работы

Работа включает введение, 4 главы основного материала, библиографиче-

скип список и приложения.

Работа без библиографического списка и приложения изложена на 136 страницах машинописного текста, кроме того, содержит 44 рисунка и 17 таблиц. Библиографический список включает 155 наименований. Приложение к диссертации изложено на 28 страницах, включая 22 рисунка и 5 таблиц.