Введение к работе
1.1.Актуальность работы.
Результатом все усиливающегося техногенного воздействия на природу и іеловека является возникновение зон чрезвычайной экологической ситуации. Эдной из таких зон является г. Братск, где экологические проблемы начали іешаться в конце 80-х годов, когда были проведены основные научно-ісследовательские работы по оценке воздействия источников загрязнения на іриродную среду и здоровье населения.
Сложившаяся экологическая ситуация в Иркутской области и, в частности, в г. іратске потребовала принятия срочных мер. Постановлением Правительства РФ от 3 апреля 1994 г. № 376 одобрена "Федеральная целевая программа неотложных іер по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-эпидемиологической Остановки и здоровья населения г. Братска ".
На сегодняшний день в г. Братске создано региональное отделение научно-[сследовательской организации - Экологическая академия России. Одним из сновных задач этого отделения являются: прикладные исследования по здоровленню окружающей природной среды; разработка принципов создания гониторинговой системы состояния окружающей среды; рациональное риродопользование и возможность управления функционированием зоны резвычайной экологической ситуации.
В условиях постоянно возрастающего напряжения во взаимодействии человека с кружающей его средой обитания решение проблемы организации эффективной истемы мониторинга природной среды становится важнейшим фактором стойчивого развития региона. Задачи наблюдения, анализа и принятия ациональных решений в сфере антропогенных и природных воздействий на среду битания требуют коренного совершенствования и поиска новых средств и методов нформационного обслуживания органов управления в целях выработки ими птимальных решений по эксплуатации возобновляемых ресурсов и инженерных етей и сооружений региона.
Накопленный опыт разработки логико-математических моделей позволяет ринять решения по использованию природных и техногенных ресурсов, рогнозированию экологической ситуации. Эффективно действующая система ониторинга окружающей среды позволит решить ряд наиболее типовых задач егиона:
выдача данных о текущем экологическом состоянии территории (данные о гепени истощения экосистем в целом, данные о состоянии всех основных омпонентов экосистем - почв, растительности, вод);
прогнозирование экологического состояния территории при тех или иных видах нтропогенного воздействия (оценка последствий для окружающей среды іункционирования существующих объектов промышленности; оценка ромышленного производства на экологическую ситуацию; оценка средне- и
долгосрочных экологических последствий крупных аварий; прогнозирование возникновения кризисных ситуаций, обусловленных длительным накоплением воздействия на природную среду).
Таким образом, экологический мониторинг есть система наблюдений на изменения состояния среды, вызванными антропогенными причинами, которая позволяет прогнозировать развитие этих изменений. Кроме наблюдений мониторинг включает эксперимент и моделирование как основу прогноза и управления.
Объектом прикладного экологического мониторинга является фиксация изменений и прогноз важных с точки зрения полезности показателей биоты. Для того, чтобы зафиксировать и предсказать эти изменения, необходимо, с одной стороны, осуществление широкой программы экспериментальных высокочувствительных оценок параметров, определяющих чувствительность к загрязнению и, параметров, определяющих взаимодействия отдельных звеньев экосистемы и, с другой - разработка универсальных, достаточно детализированных моделей экосистем, позволяющих вычислять отклики экосистемы на изменение абиотической среды.
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, а затем и последующее регулирование качества прироста лесных массивов и позволять прогнозировать развитие лесных территорий на насколько десятилетий.
Прогнозирование и мониторинг состояния лесных массивов способны решить проблему охраны окружающей среды, улучшить экологическую обстановку в регионе, регулировать хозяйственные воздействия на лесные экосистемы.
1.2.Цель диссертационной работы:
Разработка и обоснование метода моделирования сложных многосвязных объектов, основу которого составляет единый методологический подход -представление модели объекта в виде топологической структурно-функциональной модели.
Выявление взаимосвязей параметров и обоснование выбора главных компонент, которые оказывают основное влияние на лесные экосистемы. Анализ основных факторов функционирования многосвязного объекта идентификации и определения по выбранным критериям неизвестных компонент, определяющих состояния лесных массивов.
Разработка формализованного метода описания исследуемой системы управления с помощью структурного графа.
Нахождение зависимостей сезонной и разногодичной динамики прироста, установление периодов критического состояния деревьев, получение кривых хода роста в зависимости от антропогенных воздействий в разные периоды времени.
Исследование влияния промышленных выбросов на динамику деградации лесных массивов, прогнозирование состояния леса.
По измеренным параметрам главных компонент определение показателей ачества прироста лесных массивов.
На основании модели антропогенных процессов в лесных экосистемах азработать метод прогнозирования состояния лесных массивов, который позволит азработать алгоритм управляющих воздействий на техногенные объекты с целью редотвращения загрязнения окружающей среды.
1.3. Метод исследования:
При разработке метода идентификации многосвязного объекта использованы іетодьі теории систем управления, методы теории, графов, методы статистического юделирования и первичной обработки данных, матричного исчисления, опологии. Результаты работы получены с помощью компьютерных программ /licrosoft Excel 7.0. для Windows 95 и Simple Formula.
[.4. Научная новизна и вклад исследования в разработку проблемы.
Модель природной экосистемы предлагается рассматривать как модель системы отравления;
На основании данного подхода разработан формализованный метод ідентификации многосвязного объекта на примере исследования лесных массивов, ;оторый дал возможность обобщить и проанализировать основные факторы функционирования объекта. Указанный метод идентификации разработан согласно щгоритму, состоящему из последовательных этапов построения модели: функциональная схема - структурная схема - С-граф - матричная модель, построена топологическая модель лесных массивов. Прикладной результат решения проблемы шеет важное экологическое значение, которое позволяет судить о состоянии лесов з регионе и осуществляет ряд мер по снижению техногенных воздействий, также "гозволяет сделать прогноз состояния лесных массивов в будущем с учетом указанных воздействий и реконструкции поврежденных древостоев.
Разработан принцип построения топологической модели многосвязного объекта то характеристикам наблюдаемых состояний системы.
Решены частные вопросы, возникающие при реализации данного метода: использование метода преобразования блочных матриц позволяет целесообразно эсуществить обоснованный выбор координат наблюдения,
Предложен способ построения системы мониторинга прогнозирования лесных массивов.
Разработаны рекомендации, по выявлению критериев оценки состояния лесных массивов, подверженных техногенным нагрузкам.
Получены кривые хода роста в зависимости от антропогенных воздействий в разные периоды времени, разработан алгоритм прогнозирования состояния лесных массивов в условиях антропогенных воздействий и алгоритм обработки данных для прогнозирования. Предложена структурная схема мониторинга леса.
6 На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
Исследование сложных многосвязных систем большой размерности являете чрезвычайно трудной задачей, а необходимость моделирования подобных систе? все время возрастает.
-
Для объекта со множеством взаимосвязанных параметров разработан метод позволяющий объективно, формально выбрать и обосновать ряд параметров определяющий заданную точность модели на основе топологической моделі структурно-функционального представления объекта.
-
Постановка общей задачи анализа основных факторов функционировании многосвязного объекта идентификации, отличающаяся от известных постаново] возможностью определения неизвестных компонент, определяющих качестве прироста лесных массивов.
3. Метод формализации описания структурно-параметрического анализа
системы управления, который включает:
способ представления модели системы с помощью структурного графа (С-граф);
метод записи уравнения системы в матричной форме в виде уравнения компонент системы [В], уравнения структуры [А] и общего уравнения системы 1А*В*ХВХ]=0;
- способ понижения порядка матричного уравнения, который в значительной
степени сокращает размерность пространства состояний и объем вычислений.
4. Метод идентификации объекта управления на основе топологической модели позволил: - обосновать минимальное число наблюдаемых параметров объекта;
- провести априорную идентификацию компонент исследуемого объекта;
- разработать алгоритм прогнозирования процесса деградации экосистем и
управление объектом.
1.5. Практическая ценность.
Ценность работы состоит в разработке нового метода моделирования многосвязных объектов, позволяющего исследовать лесные массивы крупного промышленного узла, выявить влияние техногенных выбросов на лесные экосистемы и их деградацию, разработать конкретные мероприятия по уменьшению антропогенных выбросов, приостановление деградации древостоев: улучшению качественного состояния лесных массивов, восстановлению поврежденных и угнетенных лесных экосистем, тем самым изменяя 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 10В02).
Результаты работы являются теоретической основой при решении задач экологической безопасности г. Братска, проводимых согласно постановлению Правительства РФ от 23 апреля 1994 г. № 376 "Федеральная целевая программа
іеотложньїх мер по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-ікологической обстановки и здоровья населения г. Братска".
Настоящие исследования позволят повысить эффективность процесса [юрмирования и управления функционирования зоны чрезвычайной экологической :итуации, какой является г. Братск.
1.6. Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на научно-технической юнференции Братского индустриального института (БрИИ) (19 - Братск, 1998г.), на іаучно-исследовательской конференции Иркутского института инженеров келезнодорожного транспорта (Иркутск, 1998г.). Была представлена экспозиция їрИИ в Англии, апрель 1994 г. по темам - "Разработка методов управления юздушных бассейнов промышленных зон городов", "Прогнозирование прироста іеса в результате промышленного воздействия на биосферу"; в Сеуле (Корея, [екабрь 1994 г.) - по теме "Организация экологического мониторинга в зонах фомышленных выбросов (система управления экологическим состоянием оздушного бассейна промышленных городов) ". Результаты работы кспонировались на: выставке-ярмарке " Сиблесопользование - 96 " (октябрь 1996 .), на выставке-ярмарке-семинаре в г. Иркутске (июнь 1995 г.), на Братской ниверсальной ярмарке (декабрь 1996г.).
1.7. Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 работ, в их числе 4 статьи, 2 тезиса ;окладов.
1.8. Структура и объем диссертационной работы.