Введение к работе
1.1. Актуальность работы.
Взаимоотношение человека, общества и природы - одна из наиболее острых и актуальных проблем современности. Результатом все усиливающегося техногенного воздействия на природу и человека является возникновение зон чрезвычайной экологической ситуации. Одной из таких зон является г. Братск, где экологические проблемы начали решаться в конце 80 - х годов, когда были проведены основные научно-исследовательские работы по оценке воздействия источников загрязнений на природную среду и здоровье населения [30].
На сегодняшний день в г. Братске создано региональное отделение научно-исследовательской организации - Экологическая академия России. Основные задачи этого отделения следующие: прикладные исследования по оздоровлению окружающей природной среды; разработка принципов создания мониторинговой системы состояния окружающей среды; рациональное природопользование и возможность управления функционированием зоны чрезвычайной экологической ситуации.
Важным функциональным звеном сохранения экологического контроля природной среды является научное направление, связанное с оценкой ресурсных и экологических функций леса, как уникальной природной экосистемы, имеющей глобальное биосферное, социальное и ресурсное значения. Сохранение лесов и повышение их продуктивности -одно из необходимых условий устойчивого развития человеческого общества в XXI веке. Поэтому детальное изучение лесов и их влияние на биосферные процессы должно базироваться на глубоких теоретических представлениях о динамике лесных экосистем и характере взаимодействия слагающих их компонентов.
Одним из важных и сложных направлений создания экологического мониторинга региона является разработка математических моделей прогнозирования процессов деградации лесных экосистем в условиях антропогенного воздействия.
Поведение природно-экологических явлений рассматривается на основе методов статистического анализа. Накопление подобных статистических материалов, их осмысление совместно с работами по моделированию этих явлений позволят расширить наши знания о закономерностях процессов, которые происходят в лесных экосистемах. Последовательность этих действий должна постепенно привести к созданию теории анализа и прогнозирования лесных экосистем.
Оценка состояния лесных ресурсов при организации мониторинга состояния лесов основана на регистрации реакций древесной растительности на воздействие экологических факторов. В зависимости от характера, продолжительности и интенсивности воздействия антропогенных факторов среды реакция древесной растительности может быть оценена при помощи системы мониторинга. Это позволит разработать конкретные меры по снижению количества вредных выбросов, восстановлению угнетенных и поврежденных лесных экосистем и, следовательно, можно ожидать улучшение экологической обстановки в регионе.
Задача прогнозирования и мониторинга состояния лесных территорий выявила необходимость разработки схемы алгоритма для выработки управляющих воздействий на систему. Такая схема должна хранить данные, получаемые наземными средствами, производить их взаимоувязку и первичную обработку и последующее регулирование качества прироста лесных массивов и позволять прогнозировать развитие лесных территорий на несколько десятилетий.
Совместный комплекс мероприятий на промышленных предприятиях по снижению вредных выбросов и лесохозяйственные мероприятия можно классифицировать как подсистему мониторинга прогнозирования состояния лесного фонда.
Данная подсистема способна решить проблему охраны окружающей среды, улучшить экологическую обстановку в регионе, повысить эффективность управления лесными ресурсами, регулировать хозяйственные воздействия на лесные экосистемы.
1.2.. Цель работы:
Разработка метода идентификации многосвязного объекта, в основе которого заложен единый методологический подход - топологическая модель структурно-функционального представления системы.
Выявление взаимосвязей параметров и моделирование процессов лесных экосистем. Обоснование выбора главных компонент, которые оказывают основное влияние на лесные экосистемы.
Идентификация объекта. По измеренным параметрам главных компонент определить показатели качества прироста лесных массивов. Корректировка модели по результатам сравнения с теоретическими результатами.
На основе использования модели антропогенных процессов в лесных экосистемах для принятия решения разработать алгоритм управляющих воздействий на техногеннные объекты с целью предотвращения экологических загрязнений и катастроф.
1.3. Метод исследования.
При разработке метода идентификации многосвязного объекта использованы методы теории систем и управления, методы теории графов, методы статистического моделирования и первичной обработки данных, матричного исчисления, топологии. Результаты работы получены с помощью компьютерной программы Microsoft Excel 5.0 для Windows 95.
1.4. Научная новизна и вклад исследования в разработку проблемы.
Проведенная в работе идентификация многосвязного объекта на примере исследования лесных массивов позволила обобщить и проанализировать основные факторы функционирования объекта, построитть топологическую модель лесных массивов. Прикладной результат решения проблемы имеет важное экологическое значение, позволяющее сделать выводы о состоянии лесов в регионе и принять меры по снижению вредных воздествий и реконструкции поврежденных насаждений.
При этом : 1.Разработана функциональная модель биогенеза лесных массивов в промышленных зонах.
2. Разработан принцип построения топологической модели многосвязного объекта по характеристикам наблюдаемых состояний системы. З.Обоснован способ моделирования (решения) объекта идентификации. 4.0боснованы методы решения при частичной размерности пространства параметров, что значительно сокращает объем исследований. Использование метода преобразования блочных матриц позволяет целесообразно осуществить обоснованнный выбор координат наблюдения, изменяет качество объекта, сокращает объем вычислительных операций.
5.Предложен способ построения системы мониторинга прогнозирования (функционирования) лесных массивов. 6.Разработаны рекомендации.
7.Метод явился основой для разработки системы мониторинга в Братском регионе. 8.Разработаны критерии оценки состояния лесных массивов, подверженных выбросам промышленных предприятий.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты :
1. Для объекта со множеством взаимосвязанных параметров разработан метод, позволяющий объективно, формально выбрать и обосновать алфавит параметров, определяющий заданную точность модели на основе топологической модели структурно-функционального представления объекта.
2.Постановка общей задачи анализа основных факторов функционирования многосвязного объекта идентификации, отличающаяся от известных постановок возможностью определения неизвестных компонент, определяющих качество прироста лесных массивов.
3. Метод формализации описания структурно-параметрического анализа автоматического управления, формализующий в отличие от известных методов процедуру исследования.
Метод включает;
— способ представления модели системы с помощью структурного С -графа;
— метод записи уравнения системы в матричной форме в виде уравнения компонент системы [ В ], уравнения структуры [ А ] и общего уравнения системы [ А В Хвх ] =0;
— способ понижения порядка матричного }правнтия, значительно
сокращающий размерность пространства состояний и объем вычислений.
4. Метод идентификации объекта управления на основе топологической
модели, который позволил:
— обосновать минимальное число наблюдаемых параметров объекта;
— провести априорную идентификацию компонент исследуемого объекта; — выработать стратегию прогнозирования процесса идентификации и управления объектом.
5. Методология построения подсистемы мониторинга прогнозирования состояния леса.
1.5. Практическая ценность.
Ценность работы состоит в разработке нового метода идентификации сложного объекта, позволяющего исследовать лесные массивы промышленного узла, показать связь, вредных выбросов и поврежденных лесных экосистем, разработать конкретные меры по снижению количества антропогенных выбросов, восстановлению угнетенных и поврежденных лесных экосистем и, следовательно, улучшить экологическую обстановку в регионе.
Исследования автора выполнялись согласно научному направлению Братского индустриального института: "Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления", по госбюджетной теме: "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами"( Код ГАСНИ I0B02).
Настоящие исследования позволят повысить эффективность процесса формирования и управления функционирования зоны чрезвычайной экологической ситуации, какой является г. Братск.
1 .б.Апробация работы.
Научные исследования, связанные с экологическим состоянием воздушного бассейна промышленного города, проводятся в Братском индустриальном институте давно. БрИИ представлял экспозицию в Англии (апрель 1994 г.) по темам: 1)"Разработка методов управления воздушных бассейнов промышленных зон городов"; 2)"Прогнозирование прироста леса в результате промышленного воздействия на биосферу". Иркутскую область в г. Сеуле (Корея) (декбрь 1994г.) представлял Братский индустриальный институт по теме: "Организация экологического мониторинга в зонах промышленных выбросов (система управления экологическим состоянием воздушного бассейна промышленных городов)". Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: выставке-ярмарке-семинаре в г. Иркутске (июнь 1995 г.); на выставке-ярмарке "Сиблесопользование-96" (октябрь 1996 г.); на Братской универсальной ярмарке (декабрь 1995 г.).
Теоретические исследования при моделировании объектов легли в основу создания цикла лабораторных работ по математическому моделированию производственных процессов для лесоинженерного и механического факультетов Братского индустриального института. Матричные преобразования используются при чтении лекций по курсу "Математическое моделирование".
1.6. Структура диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (58 названий). Она изложена на 160 страницах, включая 64 рисунка и 17 таблиц.
