Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗАРАЖЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ БИО- И ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫМИ УДОБРЕНИЯМИ И НАПРАВЛЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ 11
1.1 Современный подход к решению проблемы моделирования и
прогнозирования процессов заражения окружающей среды био- и
химически опасными удобрениями 11
-
Оценка современное состояние проблемы загрязнения почв био- и химически опасными удобрениями 13
-
Обзор существующих подсистем и модулей прогнозирования пространственных данных, использующих нейросетевой и геоинформационный подходы 19
1.2. Оценка возможности применения геоинформационных
технологий и искусственных нейронных сетей для
моделирования и прогнозирования очагов заражения
окружающей среды био-и химически опасными удобрениями.... 25
1.3. Цели и задачи исследования 35
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОЧАГОВ ЗАРАЖЕНИЯ БИО- И ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫМИ УДОБРЕНИЯМИ НА ОСНОВЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ... 37
2.1 Разработка структуры модели системы прогнозирования очагов
заражения био- и химически опасными удобрениями 37
2.2 Описание основных элементов системы поддержки принятия
решений для моделирования и прогнозирования очагов
загрязнения био- и химически опасными удобрениями 45
2.2.1 База данных - подсистема хранения пространственных и
атрибутивных данных 45
2.2.2 Экспертная система - подсистема поддержки принятия
решений 58
2.2.3 ГИС - подсистема визуализации результатов моделирования.... 62
2.3 Выводы второй главы 65
ГЛАВА 3. ИНТЕГРАЦИЯ ПОДСИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
В ГИС-СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА ЗАРАЖЕНИЯ ОКРУЖАЮ
ЩЕЙ СРЕДЫ БИО- И ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫМИ УДОБРЕ
НИЯМ 67
3.1. Формирование и обучение искусственной нейронной сети для
целей прогнозирования очагов заражения био- и химически
опасными удобрениями 67
-
Модификация алгоритма обобщенной регрессии 72
-
Описание модели нейронной сети обобщенной регрессии 78
3.2. Моделирование поддержки принятия решений по результатам
прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными
удобрениями 84
3.2.1 Решение задачи заполнения пропусков в данных с помощью
искусственной нейронной сети 84
3.2.2. Получение, интерпретация и отображение результатов 91
3.2.3 Построение информационной модели карты линий уровня 93
3.3. Выводы третьей главы 102
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-ИНФОРМАЦИОННОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРО
ВАНИЯ ОЧАГОВ ЗАРАЖЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ БИО- И
ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫМИ УДОБРЕНИЯМИ 103
4.1 Описание функциональной структуры и программно-
информационного обеспечения подсистемы прогнозирования
очагов заражения био- и химически опасными
удобрениями 103
4.2 Пример работы программы 110
4.3 Оценка эффективности разработанной системы поддержки
принятия решений «НейроГИС» 122
4.4 Выводы четвертой главы 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 130
ПРИЛОЖЕНИЯ 145
Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития общества очень остро встают вопросы экологической безопасности. Состояние среды сказывается и на самом человеке, который, потребляя продукты сельского хозяйства, дыша загрязнённым воздухом, подвергается воздействию вредных веществ.
Очевидное ухудшение состояния окружающей среды, сказывающееся в глобальных изменениях климата, истощении озонового слоя, исчезновении биологических видов, обусловило выход проблем защиты природы и мониторинга ее состояния в число самых приоритетных задач человечества.
Всемирной конференцией по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) принят ряд документов, накладывающих жесткие обязательства на страны мира по участию в программе охраны и защиты окружающей среды. Россией, подписавшей и ратифицировавшей конвенции о биоразнообразии, об изменениях климата и участвующей в Международном десятилетии ООН по уменьшению опасности стихийных бедствий, принят ряд федеральных целевых программ, предусматривающих восстановление и серьезное развитие систем и методов охраны окружающей среды. При этом ставится задача средствами наземного, воздушного, водного и космического базирования обеспечить получение данных для оценки и прогноза состояния окружающей среды в связи с естественными процессами и хозяйственной деятельностью человека. Для их решения и выполнения международных обязательств необходимо развитие био- и геосферного, природно-хозяйствен-ного, биоэкологического и санитарно-гигиенического мониторинга на глобальном, региональном и локальном уровнях.
Вредное влияние на здоровье населения а так же на состояние экосистем оказывает загрязнение почвы био- и химически опасными средствами, применяемыми в сельском хозяйстве для повышения урожайности, что возможно при отступлении от санитарных и технических правил работы с ними. Внесение в почву минеральных удобрений, гербицидов и пестицидов при нарушениях в технологии применения вызывает их накопление в почве выше допустимых пределов и приводит к загрязнению сельскохозяйственной продукции, подземных вод и водоемов.
Химические вещества в почве не находятся в статическом положении. Существует их миграция в почве. Это означает перемещение химических элементов в различных направлениях и с разной скоростью. Она зависит от многих факторов, которые учесть без использования информационно-измерительной техники невозможно. Существующая техника для непосредственного измерения концентраций химических удобрений в почве не позволяет проводить исследования с достаточной частотой, поэтому возникает необходимость создания системы моделирования и прогнозирования, которая на основе косвенных данных, используя модели экологических систем, прогнозирует состояние химических удобрений в почве.
Работа выполнена в соответствии с одним из приоритетных направлений федерального уровня «Экология и рациональное природопользование», межвузовской комплексной НТП 12.11 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Проблемно-ориентированные системы управления».
Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями на основе нейросетевых технологий, создание интеллектуальных средств системы поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации
ЧС. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи: -оценить возможность применения ГИС-технологий и нейросетевых моделей для прогнозирования процессов заражения окружающей среды био-и химически опасными удобрениями; -разработать структуру системы поддержки принятия решений моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями; - определить способы интеграции интеллектуальной подсистемы добычи знаний и подсистемы визуализации пространственных данных; -выбрать способ представления знаний в системе и разработать алгоритм взаимодействия всех составляющих подсистем; -сформировать и обучить нейронную сеть для решение задачи моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями; -решить задачи визуализации полученных пространственных данных с помощью геоинформационной системы путем построения тематических карт по уровням загрязнения территории Воронежской области опасными химическими веществами; -разработать структуру и сформировать функциональное наполнение отдельных подсистем системы поддержки принятия решений моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями; -разработать экспертную систему поддержки принятия решений, ориентированную на определение уровня загрязнения опасными химическими веществами заданной территории, наиболее вероятного местонахождения источник загрязнения, а так же предложить комплекс мер по снижению уровня загрязнения почвы и снижению риска нанесения вреда здоровью населения, проживающего на рассматриваемой территории.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются методы теории вероятностей, математического программирования и построения экспертных систем, теории нечетких множеств и мягких вычислений, основные понятия теории систем, методы теории искусственного интеллекта, имитационного моделирования, методы теории нейронных сетей, геоинформационных систем.
Научная новизна результатов исследования. Основные результаты диссертации, выносимые на защиту и имеющие научную новизну, состоят в следующем: структура системы моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями, отличающаяся интеграцией подсистем интеллектуального анализа результатов мониторинга загрязнения почв, визуализации данных и экспертной системы; алгоритм формирования искусственной нейронной сети радиальных базисных функций, позволяющая на основании нечеткой исходной информации построить прогностические модели распространения загрязнения; метод построения тематических карт на основании информации полученной при работе нейронной сети, позволяющий визуально оценить уровень загрязнения почвы и определить наиболее вероятные координаты источника загрязнения; интеграция в едином комплексе подсистемы интеллектуально анализа данных, подсистемы визуализации данных и подсистемы поддержки принятия решений, позволяющая не только провести анализ данных о загрязнении почвы, но и отобразить полученные результаты на карте, а так же предложить комплекс мер по снижению риска нанесения вреда здоровью населения
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана система моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями, позволяющая на основании пространственно-распределенных данных строить прогностические модели, определять уровень загрязнения в любой точке рассматриваемой территории, и достоверно определять место нахождения источника загрязнения.
Наличие встроенного в систему модуля поддержки принятия решений позволяет оценить уровень загрязнения указанной территории, определить уровень риска для здоровья населения. Результатом работы системы является атлас тематических карт по уровням загрязнения территории, а так же комплекс мероприятий по снижению риска для населения, проживающего в рассматриваемой зоне.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: «Информатика: проблемы, методология, технологии», региональная конференция, (Воронеж 2004, 2005); «Интеллектуальные информационные системы», Всероссийская конференция, (Воронеж 2004, 2005, 2006); Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов, (Сыктывкар 2005); семинарах кафедры «Технологии и обеспечения гражданской обороны в чрезвычайных ситуациях».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ.
В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат; в [61, 64] разработка технологии восстановления пропусков в данных; в [63] задание неопределенности в данных в виде вероятностных оценок; в [65, 66, 73, 75] разработка структуры системы поддержки принятия решений в ЧС; в [68] разработка математического обеспечения генерации сценариев контрмер; в [67,70] построение прогностических моделей; в [69, 72, 74] формирование и обучении искусственной нейронной сети; в [71] модификация метода трассировки для решения задачи отображения распространения загрязнения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений; изложена на 157 страницах, содержит 45 рисунков, 2 таблицы; список литературы включает 153 наименования.
Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее краткая характеристика, показываются основные пути решения сформированных проблем.
В первой главе диссертации рассматриваются современные подходы к решению проблемы моделирования и прогнозирования процессов заражения окружающей среды био- и химически опасными удобрениями.
Проводится оценка возможности применения ГИС-технологий для решения поставленной задачи. Приводится обоснование необходимости применения средств интеллектуального анализа данных для решения поставленной задачи.
Рассматриваются сравнительные характеристики различных существующих средств интеллектуальной обработки и визуализации данных.
Приводится обоснование выбора метода искусственных нейронных сетей для решения задач моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями, а так же необходимости применения геоинформационных систем для визуализации результатов моделирования и прогнозирования.
Проводится анализ возможных способов интеграции искусственных нейронных сетей и геоинформационных систем.
На основании проведенного анализа определяются цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена содержательному описанию модели системы моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями. Приведено описание основных элементов системы. На основании полученных результатов проводится построение структурной схемы модели. Формируются ее основные элементы. Разрабатывается алгоритм взаимодействия отдельных модулей системы. Приводится описание структуры и функционального наполнения всех составляющих системы моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями.
В третьей главе рассматривается формирование и обучение нечеткой искусственной нейронной сети для решения задачи моделирования и прогнозирования загрязнения окружающей среды био- и химически опасными удобрениями. Приводится выбор архитектуры и алгоритма обучение сети. Рассматривается решение задачи моделирования и прогнозирования с помощью искусственной нейронной сети. Разрабатываются способы интерпретации и отображения результатов с помощью тематических карт линий уровня, а так способы построения линий уровня (изолиний).
Четвертая глава содержит обоснование выбора программной среды разработки приложений построенной системы поддержки принятия решений моделирования и прогнозирования очагов заражения био- и химически опасными удобрениями. Приводится структура информационного и алгоритмического обеспечения разработанной системы, а так же рассматривается пример работы программы (решение задачи моделирования и прогнозирования и поддержки принятия решений). Использование разработанной системы поддержки принятия решений позволило значительно снизить уровень риска для населения, проживающего на загрязненных территориях и территориях относящихся к зоне риска, а так же позволило значительно снизить затраты на прогнозирование и определение места нахождения источника загрязнения, что позволило получить экономический эффект.
В заключении рассмотрены основные результаты работы.
В приложении приведены таблицы статистических данных, атлас тематических карт, акты внедрения.
