Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ процессов управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий 12
1.1 Особенности формирования экологической ситуации на локальных урбанизированных территориях в современных условиях расширения и уплотнения застройки 12
1.2 Поддержка принятия решений в сфере управления биотехносферой застроенных территорий 19
1.3 Проблемы оценки экологической ситуации на локальных урбанизированных территориях 33
1.4 Выводы и постановка задач исследования 35
ГЛАВА 2. Моделирование экологического ситуационного центра как основы интеллектуальной поддержки управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий 38
2.1 Система управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий в структуре общей интеллектуальной сети управления функциями города 38
2.2 Функциональная, структурная модели и особенности актуализации интеллектуальной системы управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий 42
2.3 Построение структурной модели экологического ситуационного центра 49
2.4 Разработка методики построения и организации функционирования экологического ситуационного центра 55
2.5 Выводы по второй главе
ГЛАВА 3. Ситуационное моделирование при интеллектуальном управлении биотехносферой локальных урбанизированных территорий
3.1 Системное описание состояния биотехносферы локальных урбанизированных территорий как объекта управления 59
3.2 Ситуационный подход при интеллектуальном управлении биотехносферой локальных урбанизированных территорий 68
3.3 Моделирование экологической ситуации на локальных урбанизированных территориях на основе синтеза аппарата нечеткой логики и ГИС- средств 72
3.4 Разработка метода и алгоритма выбора рациональных управляющих воздействий для изменения состояния биотехносферы на основе ситуационного моделирования 84
3.5 Выводы по третьей главе 88
ГЛАВА 4. Программная реализация ситуационного моделирования и управления биотехносферой дворовых территорий 89
4.1 Конкретизация объекта управления и параметров интеллектуального мониторинга для дворовых территорий 89
4.2 Моделирование экологической ситуации на дворовых территориях на основе разработанного метода 96
4.3 Разработка программной реализации моделей и алгоритмов 109
4.4 Применение разработанных методов, моделей и программной реализации для управления биотехносферой на конкретных дворовых территориях 111
4.5 Выводы по четвертой главе 129
Заключение 130
Список использованной литературы 133
Приложение
1. Логические правила для получения значений составных лингвистических переменных 154 Приложение 2. Фрагмент листинга программной реализации 160
Приложение 3. Акты внедрения 177
Приложение 4. Свидетельства о госрегистрации программ для ЭВМ.
- Поддержка принятия решений в сфере управления биотехносферой застроенных территорий
- Функциональная, структурная модели и особенности актуализации интеллектуальной системы управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий
- Ситуационный подход при интеллектуальном управлении биотехносферой локальных урбанизированных территорий
- Моделирование экологической ситуации на дворовых территориях на основе разработанного метода
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Сегодня одной из важнейших и быстро-развивающихся сфер экономики России является строительство, а также соответствующая непроизводственная составляющая – жилищно-коммунальное хозяйство, состояние которых в значительной степени определяет уровень экономического развития регионов, влияет на трудоустройство населения. Наиболее быстрыми темпами развивается жилищное строительство (в т. ч., реконструкция): объем жилья, введенного в РФ в 2014 г. – более 80 млн.2, превысило советские рекордные показатели, достигнутые в 1987 г. – 72,8 млн. м2.
Под влиянием расширения и уплотнения застройки на современных урбанизированных и субурбанизированных территориях постоянно происходит техногенная трансформация биосферы и быстрое развитие биотехносферы, для которой характерно структурно-функциональное единство природных, технических и социальных факторов, а ее состояние определяет формирование и развитие определенной экологической ситуации. Результаты различных исследований и данные государственного экологического мониторинга свидетельствуют: значительная часть современных локальных урбанизированных территорий1 находится в зонах повышенного негативного техногенного влияния, где превышены санитарные нормы содержания токсичных и канцерогенных веществ в атмосфере, нормы воздействия шумов и электромагнитных полей, наблюдается значительное скопление твердых отходов, угнетение растительного мира. Следует особо выделить городские дворовые и сельско-городские территории, характеризующиеся специфическими условиями формирования биотехносферы, качественное состояние природной среды которых влияет на здоровье наиболее уязвимой части населения: дети, подростки, молодые мамы, пожилые люди.
Управление биотехносферой локальных урбанизированных территорий – это управление сложной системой, состояние которой характеризуется как количественными, так и качественными параметрами, множественными и неоднородными исходными данными; а для принятия управленческих решений необходимо учитывать слабоформализуемые понятия и разнородные данные о состоянии объекта управления и внешней среды. При таких условиях наиболее рациональным является построение интеллектуальной системы управления, в которой управленческие решения будут формироваться на основе интеллектуального анализа данных: извлечении и представлении знаний об объекте управления и других подсистемах, механизмах их взаимодействия между собой и с внешней средой; модельной оценке состояния биотехносферы и способов управления им на уровне математических и логико-лингвистических моделей; использовании обучения, обобщения и классификации при построении сценариев управления по текущим и прогнозным экологическим ситуациям.
Исходя из вышесказанного, сегодня актуальной научной задачей является разработка комплекса методов, моделей и алгоритмов, актуализирующих функ-
1 территории в рамках муниципального образования, имеющие естественные или природные границы: двор, улица, микрорайон, поселок
ционирование интеллектуальных систем управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий, в том числе, с использованием ситуационного подхода и ситуационного моделирования.
Исследованиями в области построения и развития систем, реализующих функции экомониторинга, прогнозирования и управления экологической безопасностью, для урбанизированных территорий занимались Андерсон Дж., Аморе М., Батзиас Ф., Бонаккорсо А., Васильев А.В., Воронцов А.М., Денисов В.Н., Дончен-ко В.К., Иващук О.А., Ильичев В.А., Иоаннис Н., Константинов И.С., Ксандопуло С.Ю., Кузичкин О.Р., Ли В., Осипов В.И., В.М., Растоскуев В.В., Теличенко В.И., Слесарев М.Ю., Фатта Д. и др. ученые. Однако до сих пор не решена задача обеспечения поддержки решений в сфере интегрированного управления состоянием природных и техногенных систем локальных урбанизированных территорий, с осуществлением непосредственной трансформации полученных экоданных в научно обоснованные результативные управляющие воздействия.
Вышесказанное обуславливает актуальность темы исследования, выбор объекта, предмета и цели исследования.
Объектом исследования является процесс управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий в современных условиях расширения и уплотнения застройки.
Предметом исследования являются методы, модели и алгоритмы, обеспечивающие актуализацию интеллектуальных систем управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий, информационное обеспечение и поддержку результативных управленческих решений.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является повышение эффективности принимаемых решений при управлении биотехносферой локальных урбанизированных территорий на основе совершенствования функционирования систем управления за счет применения ситуационного моделирования.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Анализ современного состояния в сфере управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий, проблем осуществления оценки и прогнозирования развития экологической ситуации.
-
Исследование и построение моделей интеллектуальной системы управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий и ее подсистемы – экологического ситуационного центра – как основы информационного обеспечения и интеллектуальной поддержки управления.
-
Системное описание состояния биотехносферы локальных урбанизированных территорий как объекта интеллектуального управления с выявлением основных параметров интеллектуального мониторинга, ситуационного моделирования и управления.
4. Реализация ситуационного подхода для построения моделей и алгоритмов,
обеспечивающих проведение интеллектуального мониторинга и интеллектуаль-
ную поддержку принятия решений при управлении биотехносферой локальных урбанизированных территорий.
5. Разработка конкретных ситуационных моделей и их программная реализация для обеспечения управления биотехносферой на примере дворовых территорий многоэтажных комплексов, разработка практических рекомендаций по применению моделей, алгоритмов и программ.
Методы исследования основываются на системном анализе; теории множеств и математической логике; ситуационном подходе; использовании аппарата нечеткой логики, геоинформационных технологий; экспертных оценках; экспериментальных исследованиях.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается соблюдением ГОСТов, СНиПов и другой нормативной документации, применением сертифицированного лабораторного оборудования и программного обеспечения; успешной программной реализацией на ЭВМ и положительным внедрением результатов работы.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в получении следующих новых научных результатов:
– теоретико-множественная и структурная модель экологического ситуационного центра как базовой составляющей интеллектуальной системы управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий, обеспечивающей процесс непосредственной трансформации экоданных в результативные управляющие воздействия за счет интегрированной актуализации интеллектуального мониторинга и комплексного интеллектуального анализа данных с формированием и оценкой альтернативных сценариев управления;
– концептуальная модель биотехносферы локальной урбанизированной территории как объекта управления, представленного в виде природно-социотехногенной системы, состояние которой определяется совокупностью параметров, отражающих взаимодействие отдельных компонентов между собой и с внешней средой и являющихся параметрами интеллектуального мониторинга и управления;
– разработанный на основе синтеза нечеткой логики и ГИС-технологий метод комплексной визуализированной оценки текущей и прогнозной экологической ситуации на локальных урбанизированных территориях по совокупному состоянию подсистем биотехносферы;
– алгоритм формирования сценариев управления, отличительной особенностью которого является возможность оценки результативности управляющих воздействий, актуализация которых не будет вызывать противоречивый эффект в изменении качества отдельных составляющих природной среды.
Практическая значимость работы заключается в программной реализации построенных ситуационных моделей и алгоритма формирования сценариев управления (получены свидетельства о госрегистрации в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам), их применении на конкретных локальных урбанизированных территориях; в результатах интеллектуального экомониторинга дворовых территорий гг. Орла и Белгорода; в
практических рекомендациях по применению разработанных программ и алгоритмов.
Результаты внедрения. Результаты диссертационной работы в виде разработанных моделей, алгоритмов, их программной реализации и рекомендаций внедрены: в Департаменте жилищно-коммунального хозяйства Белгородской области для проведения комплексной оценки и прогнозирования природно-технического состояния дворовых территорий многоэтажных жилых комплексов, разработки сценариев управления и оценки конкретных мероприятий по изменению параметров инженерных сетей и инфраструктуры территории для достижения требуемого уровня биотехносферной безопасности; в Департаменте архитектуры и строительства администрации Малоархангельского района Орловской области для проведения прогнозных оценок состояния биотехносферы при планировании строительства жилых домов и проектирования планировочной структуры их дворовых территорий; в Белгородском государственном национальном исследовательском университете при осуществлении учебного процесса и научно-исследовательской работы студентов и аспирантов.
Связь с научными и инновационными программами. Результаты диссертационного исследования использовались при выполнении следующих проектов: грант РФФИ № 14-41-08055 (2014,2015 гг.) «Исследование и разработка распределенной автоматизированной системы интеллектуального экомониторинга и управления экологической безопасностью городских территориальных агломераций»; грант РФФИ № 15-48-03163 (2015 г.) «Создание и исследование технологии и прототипа системы интеллектуального экомониторинга, прогнозирования и ситуационного управления биотехносферой сельско-городских территорий».
На защиту выносятся:
– модель экологического ситуационного центра как базовой составляющей интеллектуальной системы управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий;
– модель биотехносферы локальной урбанизированной территории как объекта интеллектуального управления;
– метод комплексной визуализированной оценки текущей и прогнозной экологической ситуации на локальных урбанизированных территориях;
– алгоритм формирования сценариев управления;
– модели экологической ситуации на дворовых территориях многоэтажных комплексов;
– программная реализация моделей и алгоритмов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012» (г. Москва, 2012 г., грамота за лучший доклад), Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Юго-Западного государственного университета «Строительство: тенденции развития и перспективы» (г. Курск, 2014 г.), VI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.), а также на научных семинарах и конференциях Белгородско-
го государственного национального исследовательского университета, Приокско-го государственного университета (Госуниверситет-УНПК), Орловского государственного аграрного университета, (2012-2015 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 5 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации трудов на соискание ученых степеней. Получено 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Содержание работы изложено на 153 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 4 таблицы, список литературных источников из 151 наименования.
Поддержка принятия решений в сфере управления биотехносферой застроенных территорий
С точки зрения системного подхода, биотехносфера урбанизированных территорий – как застроенных, так и планируемых под застройку и развитие инфраструктуры – представляет собой многокомпонентную систему, включающую различные взаимодействующие между собой и с внешней средой природно-технические подсистемы, совокупное функционирование которых решает цели социально-экономического развития рассматриваемой территории. В результате, формирование и изменение экологической ситуации на рассматриваемой урбанизированной территории, характеризующейся определенными условиями и параметрами застройки, параметрами инженерных сетей, действующих производственных, транспортно-дорожных, культурно-бытовых и др. объектов, зависит как от внешних воздействий, так и от состояния и динамики данной природно-технической системы в целом и ее отдельных компонентов в их взаимосвязи.
Для результативного регулирования сложившейся и прогнозируемой экологической ситуации важно выявить те параметры биотехносферы, которые являются: – наиболее значимыми с точки зрения воздействия на здоровье населения рассматриваемой территории (по мощности и объему); – реально управляемыми, изменение которых обеспечит возможность реализации конкретных природоохранных мероприятий.
Результаты по оценке здоровья населения в регионах РФ, полученные при проведении государственного социально-гигиенического мониторинга, показали сильную зависимость между ростом заболеваемости и болезненности (органы дыхания, сердечно-сосудистая система и др.), особенно у детей и подростков, и повышением уровня негативного техногенного воздействия на различные компоненты природной среды жилых районов, прежде всего, на воздушный бассейн [10,11,17]. От различных объектов промышленности и транспорта происходит выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух среднегодовыми объемами в десятки млн. т по стране (например, в 2014 г. – более 31 млн. т): в среднем около 57% приходится на стационарные источники и около 43% – на передвижные (при этом в ЦФО, вклад автомобилей достигает 7095% [10,14]). Наиболее распространенными загрязняющими веществами являются: оксид углерода (CO2) – 15517 млн.т или 106 кг на душу населения страны, диоксид серы (SO2) – 4131 млн.т/ 28 кг, оксиды азота (NOx) – 3379 млн.т/ 23 кг, летучие органические соединения – 2741 млн.т/19 кг, аммиак – 87 млн.т / 0,6 кг соответственно (данные на 2014 год). На ЦФО приходится около 9 % всех выбросов в атмосферу, при этом основными регионами-загрязнителями являются: Липецкая обл. (347 тыс. т или 22%), Московская обл. (199 тыс.т, 13%), Тульская обл. (181 тыс.т, 11,5%), Рязанская обл. (124 тыс.т, 7,8 %) и Белгородская обл. (118 тыс.т, 7,5 %) [10,14].
Следует отметить, что вредные выбросы, поступающие в атмосферу локальных урбанизированных территорий, в частности дворов многоэтажных комплексов, могут являться консервативными (например, угарный газ СО) и сохраняться длительное время в зависимости от застройки и инфраструктуры территории. По данным регулярных наблюдений Росгидромета, при общем небольшом снижении в последнее десятилетие вредных выбросов, концентрации оксида углерода не снижаются (это напрямую связано с ростом автомобилизации), и именно по этому показателю чаще всего превышаются допустимые нормы.
При взаимодействии таких веществ, содержащихся в техногенных выбросах, как окислы серы или азота с другими газами образуются новые вещества (сульфаты, нитраты, кислоты и др.), обладающие большей токсичностью. Вторичные источники интенсивно загрязняют как атмосферу, так и природные воды, почвы, растения.
Необходимо отметить значительный рост негативного техногенного влияния на акустическую среду. Число жалоб на внешнее шумовое воздействие в ряде регионов превышает 50% [10,14]. Наиболее неблагоприятными, с этой точки зрения, также являются автомобили – преобладающие источники интенсивного и длительного шума [18-21].
Опасным является воздействие на человека инфразвука, источники которого, например, это различные типы транспортных средств, компрессоры, вентиляционные системы и системы кондиционирования. Оно выражается в угнетении слуховой и вестибулярной функций, в утомлении. Проведены исследования, которые показывают, что одновременное действие высоких уровней шума и инфразвука увеличивает плохое самочувствие в 3 раза: взаимодействие этих факторов носит характер потенцирования [22,23].
Значительное вредное влияние на организм человека оказывают электромагнитные поля. Оно связано с переносом энергии электромагнитных излучений и определяется ее количеством, которое зависит от частоты волн. Наиболее опасно поглощение электромагнитных волн внутренними органами, обладающими слабо выраженным механизмом терморегуляции (почки, сердце, мозг, глаза) [24].
Параметры биотехносферы конкретных локальных урбанизированных территорий, связанные как с природными составляющими, например, рельефом, так и с особенностями современной застройки и инфраструктуры, существенно влияют на их микроклимат, а также на характер рассеивания и скопления поступающих из внешней среды и образующихся непосредственно на рассматриваемой территории химических и физических загрязнений. Например, в пониженных формах рельефа чаще застаивается воздух. Под влиянием неровностей местности изменяется движение и турбулентный режим воздушных потоков, что вызывает существенное перераспределение концентрации загрязняющих веществ [25,26].
Рассеивание вредных примесей в приземном слое застроенных территорий, особенно многоэтажных комплексов, имеет свои характерные особенности и существенно отличается от аналогичных процессов, наблюдаемых над протяженной земной или водной поверхностью. Препятствия в виде городских строений, встречающиеся на пути распространения воздуха, становятся причиной возникновения циркуляционных зон, отличающихся очень слабой возможностью воздухообмена и циркуляцией по замкнутым контурам [26,27]. В результате пониженного давления в данных областях, загрязняющие вещества, попадающие в них (чаще всего от автомобилей), накапливаются до концентраций, превышающих предельно-допустимые нормы (ПДК). Сплошная высотная застройка создает особые условия, когда воздушные потоки в нижней тропосфере практически отсутствуют, как следствие, происходит значительное скопление и застой вредных примесей.
Замкнутость объемов застройки, создающей «глухие» дворы и дворы-«колодцы» значительно ухудшает условия рассеяния выбросов от автомобилей [28]. Парковка автотранспорта вблизи жилых строений становится причиной повышенных уровней загрязнения воздуха, как вблизи застроек, так и в квартирах нижних этажей: соответствующие режимы работы двигателей при пуске, прогреве и выезде являются «залповыми» для выбросов отработавших газов. Так, «холодный» автомобиль расходует топлива до 30 % больше, чем «горячий», и при этом выбрасывает СО больше на 86 %, углеводородов СхНу – на 40 %, оксидов азота NOx – на 12 %. Как показывают исследования ученых, строительные оболочки способны ослабить внешние концентрации загрязняющих веществ только на 30-40 %, в результате на уровне первых этажей фиксируются их концентрации до 5 ПДКм.р. (предельно-допустимая концентрация максимально-разовая) при работающих на улице двигателей автомобилей [5,11,28].
Функциональная, структурная модели и особенности актуализации интеллектуальной системы управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий
Особенности актуализации предлагаемой интеллектуальной системы управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий связаны со следующими принципиальными отличиями от предыдущих предлагаемых моделей АСУ экологической безопасностью: – подсистема мониторинга в ЭСЦ осуществляет как проведение (на базе стационарных и мобильных постов, в том числе с использованием средств дистанционного зондирования Земли) комплексного инструментально-расчетного автоматизированного мониторинга состояния природной окружающей среды в соответствии с мировым уровнем функционирования подобных систем с обеспечением визуализации и пространственно-временного анализа средствами ГИС технологий, так и реализацию функций первичного интеллектуального анализа данных; – актуализация процесса интеллектуальной поддержки принятия решений на базе ЭСЦ обеспечивает комплексный интеллектуальный анализ данных и формирование альтернативных сценариев управления с оценкой их результативности. – интегрированное функционирование на базе ЭСЦ подсистем интеллектуального мониторинга и интеллектуальной поддержки принятия для обеспечения возможности непосредственной трансформации экоданных в результативные (с точки зрения оперативности, научной обоснованности, эколого-экономической эффективности и устойчивости к внешним воздействиям) управляющие воздействия.
К ЭСЦ как к интеллектуальной системе мониторинга и поддержки принятия решений предъявляются особые требования гибкости, связанной с обеспечением возможности модернизации с учетом новых условий формирования состояния биотехносферы, с изменениями условий застройки территории, изменений в механизмах управления и др.
Детализируем составляющие Y как выходного множества (при функционировании ЭСЦ), так и входного множества, обеспечивающего функционирование управляющей подсистемы, образующего информационные потоки во внутренних контурах управления системы: Y ={Y ,Y ,Y }, где Y – обработанные данные подсистемы интеллектуального мониторинга. Прежде всего, к составляющим множества Y относятся параметры качества компонентов природной среды и состояния техносферы на текущий момент времени. Контур управления в общей системе, образуемый с участием данного информационного потока, является традиционным, он включает подсистему сбора и обработки данных, управляющую систему и объект управления и обеспечивает лица, принимающие решения, текущей информацией. Также к элементам множества Y относятся следующие результаты функционирования подсистемы интеллектуального мониторинга: комплексная оценка текущей экологической ситуации, а также предварительный прогноз изменения качества компонентов природных сред и экологической ситуации в целом без реализации управляющих воздействий. Соответствующий внутренний контур управления включает ту компоненту подсистемы мониторинга, которая актуализирует в ней функции интеллектуального анализа данных. При реализации данного контура лица, принимающие решения по регулированию состояния биотехносферы на рассматриваемой локальной территории, основываются как на текущей, так и на прогнозной информации.
Множество Y – результаты комплексного интеллектуального анализа данных в подсистеме интеллектуальной поддержки принятия решений: – ситуационное моделирование пространственно-временной динамики биотехносферы; – интегральная оценка изменения экологической ситуации при реализации различных сценариев управления; – кратко-, средне- и долгосрочное прогнозирование результатов взаимодействий биосферы и технических систем и объектов; – формирование альтернативных сценариев развития эколого экономической ситуации с выбором параметров состояния биотехносферы; – оценка результативности управляющих воздействий (с точки зрения оперативности, эколого-экономической эффективности, устойчивости к внешним воздействиям). Актуализация соответствующего внутреннего контура управления обеспечивает выработку и реализацию научно обоснованных управляющих воздействий. Актуализация всех контуров обеспечивает возможность непосредственной трансформации экоданных в результативные природоохранные мероприятия. Y обеспечивает информационный поток от подсистемы поддержки принятия решений к подсистеме мониторинга (управляющие воздействия в соответствующем внутреннем контуре управления) – модели, необходимые для осуществления на уровне мониторинга комплексной оценки экологической ситуации и предварительного прогнозирования ее развития.
Итак, базовая составляющая интеллектуальной системы управления биотехносферой локальных урбанизированных территорий – это ЭСЦ, которая, как указано выше, объединяет работу двух основных подсистем, обеспечивающих актуализацию внутренних контуров управления в системе. Рассмотрим принципиальные отличия функционирования подсистемы интеллектуального мониторинга. Детализация совокупности ее функций показана на рисунке 13.
Таким образом, ЭСЦ наделяется как традиционными функциями сбора и обработки данных, аналогично современным системам мониторинга, так и функциями предварительной оценки, которые были введены для организации функционировании подобных систем в рамках актуализации АСУ экологической безопасностью на основе методологии [5,107,109], а также следующими интеллектуальными функциями: комплексная модельная оценка состояния биотехносферы и экологической ситуации; оперативный предварительный прогноз без реализации управляющих воздействий, которые обеспечивают интеллектуализацию процесса мониторинга и являются первичным базисом для оперативной выработки результативных управляющих воздействий.
Ситуационный подход при интеллектуальном управлении биотехносферой локальных урбанизированных территорий
В зависимости от выбранного набора характеристик состояния биотехносферы и последствий их изменения, оказываемых негативное влияние на проживающее на рассматриваемой территории население, дифференцируется оценка «неблагоприятная» (повышается ее точность). Исследования по психологии [135] показывают, что обычный человек в состоянии одновременно хранить в памяти от 5 до 9 характеристик объекта, таким образом, число термов в базовом множестве рационально определить равным 5: Т = {Т1, Т }= {Т1, Т2, Т3, Т4, Т5}. (7) – Т2 = «относительно напряженная». Такая оценка экологической ситуации на локальной урбанизированной территории дается в случае, когда состояние природной подсистемы характеризуется отклонением от нормативов выбранных для контроля показателей качества рассматриваемых компонентов природной среды, но эти отклонения не являются устойчивыми; состояние технической подсистемы с точки зрения экологической безопасности не требует реализации долгосрочных (стратегических) или среднесрочных (тактических) решений. – Т3 = «напряженная». Такая оценка экологической ситуации дается в нескольких случаях, а именно: - состояние природной подсистемы характеризуется отклонением от нормативов выбранных для контроля показателей качества рассматриваемых компонентов природной среды с возникновением устойчивых экологически опасных зон, при этом состояние технической подсистемы с точки зрения экологической безопасности не требует реализации долгосрочных (стратегических) или среднесрочных (тактических) решений; - состояние природной подсистемы характеризуется отклонением от нормативов выбранных для контроля показателей качества рассматриваемых компонентов природной среды, но эти отклонения не являются устойчивыми, при этом состояние технической подсистемы с точки зрения экологической безопасности требует реализации среднесрочных (тактических) решений. – Т4 = «конфликтная». Такая оценка экологической ситуации дается в следующих случаях: - одновременно и состояние природной подсистемы характеризуется отклонением от нормативов с возникновением устойчивых экологически опасных зон, и состояние технической подсистемы с точки зрения экологической безопасности требует реализации среднесрочных (тактических) решений; - состояние природной подсистемы характеризуется отклонением от нормативов показателей качества всех рассматриваемых компонентов природной среды с возникновением устойчивых экологически опасных зон, при этом состояние технической подсистемы с точки зрения экологической безопасности не требует реализации долгосрочных (стратегических) или среднесрочных (тактических) решений; - состояние природной подсистемы характеризуется отклонением от нормативов показателей качества рассматриваемых компонентов природной среды, но эти отклонения не являются устойчивыми, при этом состояние технической подсистемы требует реализации долгосрочных (стратегических) решений. – Т5 = «кризисная». Такая оценка экологической ситуации также дается в случае возникновения нескольких случаев: - одновременно и состояние природной подсистемы характеризуется отклонением от нормативов показателей качества всех рассматриваемых компонентов природной среды с возникновением устойчивых экологически опасных зон, и состояние технической подсистемы с точки зрения экологической безопасности требует реализации долгосрочных (стратегических) или среднесрочных (тактических) решений; - одновременно и состояние природной подсистемы характеризуется отклонением от нормативов выбранных для контроля показателей качества рассматриваемых компонентов природной среды с возникновением устойчивых экологически опасных зон, и состояние технической подсистемы с точки зрения экологической безопасности требует реализации долгосрочных (стратегических) решений.
Для формирования приведенной выше детальной дифференциации терм-множества (7) использовался метод экспертных оценок в форме индивидуального анкетирования и интервьюирования (привлекалось 27 экспертов: 9 – из сферы экологической безопасности городской территории, 9 – из сферы жилого строительства, 9 – научные работники - специалисты по решаемой проблеме) с сохранением анонимности ответов экспертов по отношению друг к другу с целью исключение влияния конформизма и с проведением количественной оценки согласованности суждения экспертов.
Проведенный анализ показывает, что EcSit – составная переменная, а процессы классификации экологической ситуации на локальной урбанизированной территории и детализация базового терм-множества связаны с анализом взаимодействия включенных в состав EcSit частей: EcSit = (EcSitПС, EcSitТС), (8) где EcSitПС – лингвистическая переменная, характеризующая состояние природной подсистемы объекта управления; EcSitТС – лингвистическая переменная, характеризующая состояние техногенной подсистемы объекта управления, а именно ее «внутренней» (для данной территории) составляющей (см. п. 3.1), с точки зрения формирования определенной экологической ситуации. Для территории выбранного класса, где экологическая ситуация во многом определяется архитектурно-планировочными решениями, спецификой застройки – это состояние планировочной структуры территории.
Более того, необходима дальнейшая детализация введенных переменных: EcSitПС = (EcSitПС1, EcSitПС2, …, EcSitПСi,…, EcSitПСI), , (9) EcSitТС = (EcSitТС1, EcSitТС2, …, EcSitТСi,…, EcSitТСJ), , которая соответствует детализации основных подсистем объекта управления и формируется на основании следующих условий: 1. При детализации параметров состояния природной подсистемы биотехносферы локальной урбанизированной территории необходимо соблюдение требований, изложенных в главе 2 (п. 2.4). 2. При детализации параметров техногенной составляющей биотехносферы локальной урбанизированной территории, необходимо соблюдение следующих требований: выбор тех элементов планировочной структуры, параметры которых оказывают значительное влияние на формирование экологической ситуации; выбор в качестве показателей состояния элементов планировочной структуры тех параметров, которые являются реально управляемыми.
Аналогично (6) введем лингвистические переменные EcSitПС и EcSitТС: {EcSitПС,TПСSПС,GПСtfПС}, (10) {EcSitТС,TТС,ESТС,GТС,HТС}. где ТПС и ТТС - это базовые терм-множества, которые задают значения лингвистических переменных EcSitПС и EcSitТС, соответственно. При этом ТПС является нечеткой переменной на числовом множестве ESПС, к элементам которого относятся параметры состояния природной подсистемы - ХПС; ТТС является нечеткой переменной на числовом множестве ESТС, к элементам которого относятся параметры состояния техногенной подсистемы с точки зрения экологической безопасности, то есть параметры, непосредственно влияющие на изменение состояния природной среды (см. п. 3.1) - ПТ СС ПТ ССCХ ПС, Х ПСС ХТС). Минимальная точность оценки состояния природной и технической подсистем биотехносферы локальной урбанизированной территории определяется двумя основными термами: ТПС1 = «удовлетворительное», Т ТС1 = «удовлетворительное», Т ПС = «неудовлетворительное», Т ТС = «неудовлетворительное»,
В результате, процесс классификации EcSit разбивается на анализ взаимодействия составляющих исследуемой лингвистической переменной, что позволит синтезировать результат. При этом основные составляющие переменной EcSit также оцениваются интегрально, на основе анализа взаимодействия их основных элементов.
Моделирование экологической ситуации на дворовых территориях на основе разработанного метода
Полное соответствие значению «удовлетворительный» соответствует уровню, превышающему 170 шт./га, при котором соблюдаются нормы как для нечерноземной, лесостепной, так и для степной зоны Европейской части.
В качестве численной характеристики, определяющей при данной планировочной структуре дворовой территории уровень инсоляции (х ТС2 на множестве ТС2), будем рассматривать временную характеристику, нормируемую строительными и санитарными нормами для жилых территорий, которая, в свою очередь, определяется плотностью застройки, расстояниями между жилыми зданиями (или жилыми и общественными/ производственными зданиями), ограничивающими территорию двора. Будем оценивать суммарную продолжительность инсоляции на 50 % территории двора, занятой площадками: детскими игровыми, спортивными и для отдыха (в мин.). При построении соответствующих функций принадлежности будем исходить из требований, изложенных в [147]: продолжительность инсоляции на рассматриваемой территории должна составлять не менее 3 часов независимо от географической широты. Следует отметить, что в зависимости от размещения и ориентации зданий по сторонам горизонта, а также их объемно-планировочных решений допускается перерыв в инсоляции при увеличении общей продолжительности на 0,5 часа). В качестве Т ТС определим:
При комплексной реконструкции сложившейся застройки и в других сложных градостроительных условиях допускается при соответствующем обосновании уточнять настоящие нормативные требования заданием на проектирование по согласованию с местными органами архитектуры и градостроительства, органами государственного санитарно-эпидемиологического и природоохранного надзора и государственной противопожарной службы.
Численным значением характеристики состояния условий парковки автотранспорта (хТС3 на множестве ТС3) определим расстояние (в метрах) от жилых зданий до мест, использующихся на данной дворовой территории для временного хранения автомобилей. Будем использовать нормативы в [148] для расстояний от наземных и наземно-подземных гаражей, открытых стоянок, предназначенных для хранения легковых автомобилей, до жилых домов. В результате, в качестве ТС для характеристики лингвистического значения «неудовлетворительное»: х ТС3, Т х ТС = - Значение 10 м от жилого дома до места парковок (как скопления автомобилей на дворовой территории) соответствует граничному значению интервала норм (при вместимости до 10 машин, обозначенной минимальной) как для торцов жилых домов без окон, так и для фасадов жилых домов и торцов с окнами, поэтому до данного уровня определяется полное соответствие лингвистическому значению «неудовлетворительное». В качестве ТС для характеристики лингвистического значения «удовлетворительное» определена функция принадлежности:
Значения расстояния, большие 25 м соответствуют нормам для всех сторон жилого здания с окнами и без окон при скоплении машин на стоянке менее 100 единиц.
Комбинации элементов лингвистических переменных, характеризующих состояние природной и техногенной подсистем биотехносферы дворовых территорий, реализуемые на основе специально разработанных правил, обеспечивают синтезированный результат работы разработанных ситуационных моделей. Функции принадлежности для промежуточной балльной оценки (состояния природной и техногенной подсистем) имеют вид: первая и последняя (баллы 1 и 5) – трапециевидные, остальные (баллы 2,3,4) – треугольные с модальным значением, соответствующим достигнутому баллу (чем меньше балл, тем хуже состояние подсистемы).
Комплексная балльная и качественная оценка экологической ситуации и соответствующего состояния биотехносферы на рассматриваемой дворовой территории осуществляется на основе актуализации комплекса правил, продемонстрированных в Приложении 1.
Для практического применения ситуационной модели, построенной для комплексной оценки экологической ситуации на дворовых территориях по совокупному состоянию подсистем их биотехносферы на основе метода, предложенного в главе 3, осуществлена ее программная реализация. Разработан комплекс компьютерных программ, обеспечивающих возможность проведения: - модельной оценки отдельных компонентов биотехносферы с точки зрения экологической безопасности дворовой территории; - комплексной балльной и качественной оценки текущей и прогнозной экологической ситуации по состоянию природной среды и планировочной структуры дворовой территории (как природной и техногенной подсистем биотехносферы) с промежуточной оценкой; - оценки результативности управляющих воздействий на техногенную подсистему с точки зрения снижения/ предотвращения на природную среду дворовой территории.
Для разработки программной реализации построенных моделей и обеспечения проведения оценок, прогнозов и формирования сценариев управления был использован язык программирования С# при помощи среды разработки Visual Studio 2013.
Для реализации алгоритма комплексной оценки экологической ситуации была использована библиотека FuzzyNet, которая предоставляет функции для работы с аппаратом нечеткой логики. Библиотека позволяет задавать параметры входных переменных (множество лингвистических значений, функции принадлежности), а так же правила нечеткого вывода.
Для реализации карт дворовых территорий используется ГИС Яндекс карты с использованием библиотеки GMap.Net.
Для хранении информации о дворовых территориях разработана база данных. В качестве системы управления базами данных(СУБД) выбрана SQLite. SQLite – это встраиваемая библиотека в которой реализовано многое из стандарта SQL 92. Движок SQLite и интерфейс к ней реализованы в одной библиотеке, что увеличивает скорость выполнения запросов. На рисунке 26 изображена структура базы данных: