Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных проблем современности является снижение вредного воздействия продуктов человеческой деятельности на окружающую среду (ОС). При этом тенденция увеличения загрязнения ОС от транспортного комплекса сохраняется, объемы его выбросов постоянно возрастают. Из всех видов транспорта наиболее экологичным считается железнодорожный, однако и он имеет проблемы, связанные с негативным воздействием на ОС. В их перечень входят:
– недостаточно эффективный организационно-экономический механизм управления природопользованием, его слабое информационное обеспечение;
– экологически и морально устаревшие энергоёмкие технологии и оборудование, некачественное сырье и топливо;
– отсутствие эффективных экозащитных технологий;
– несоблюдение норм образования отходов, их неэффективное вторичное использование, нарушение условий безопасного хранения;
– загрязненность железнодорожных путей, предприятий, складов горюче-смазочных материалов отраслевых объектов;
– недостаточное оснащение современной лабораторной, компьютерной техникой и экоинформационными технологиями системы отраслевого экологического контроля и мониторинга, неэффективный контроль экологических показателей на рабочих местах.
В числе приоритетных задач в природоохранной деятельности ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») стоят внедрение ресурсосберегающих и безотходных технологий во всех сферах хозяйственной деятельности, оснащение предприятий современным природоохранным оборудованием, получение достоверной и объективной информации о состоянии ОС и на её основе обеспечение эффективного управления природоохранной деятельностью.
Диссертация выполнена в соответствии с экологической стратегией ОАО «РЖД», отраслевыми комплексными социально-экономическими программами «Экологическая программа железнодорожного транспорта на 1996–2000 годы» (Указание МПС №Г791-у от 03.09.1996 г.), «Экологическая программа железнодорожного транспорта на 2001–2005 годы» (Указание МПС №Г-131у от 30.01.2001 г.).
Работа выполнялась при поддержке РФФИ в рамках перспективных исследований в области информационных технологий (проект №04-01-00277).
Степень разработанности проблемы. Решению теоретических и практических вопросов в области разработки технологий и устройств экологической безопасности на железнодорожном транспорте посвящены работы: С.В. Белова, В.М. Белькова, А.Ф. Демьяненко, Н.И. Зубрева, Н.И. Иванова, В.Д. Карминского, В.Д. Катина, Е.Е. Коссова, Л.В. Киселёвой, К.Б. Комиссарова, Н.Н. Крупенио, С.П. Никитина, Д.Я. Носырева, Т.Л. Риполь-Сарагоси, Л.Б. Сватовской, Т.С. Титовой и др.
Наиболее существенный вклад в развитие теории и практики построения систем экологического контроля и мониторинга внесли Л.А. Грибов, Ю.А. Золотов, Ю.А. Израэль, Л.К. Исаев, Л.Я. Козлов, Л.А. Конопелько, А.А. Попов, В.В. Приваленко, А.Б. Шаевич и др.
Развитию теории и практики управления сложными динамическими объектами с использованием методологии искусственного интеллекта посвящены работы ученых: А.Н. Аверкина, Л.С. Берштейна, В.Н. Вагина, В.В. Емельянова, А.Г. Еремеева, В.П. Карелина, С.М. Ковалева, В.М. Курейчика, А.Н. Мелихова, Э.А. Мамаева, Д.А. Поспелова, Э.В. Попова, Г.С. Осипова, И.Б. Фоминых, В.Ф. Хорошевского и др.
В части разработки интеллектуальных информационных систем экологической безопасности решению теоретических вопросов посвящены работы: Ю.М. Арского, А.Н. Вараксина, А.Н. Гуды, В.Г. Ильичева, С.М. Ковалева, В.Ф. Крапивина, Н.А. Назаряна, В.В. Растоскуева, И.И. Потапова, В.Н. Чуканова, А.Н. Целых и др.
Вопросы структурной организации предприятий разрабатывались отечественными исследователями. В этой связи следует отметить труды Л.И. Абалкина, О.В. Иншакова, Н.Н. Лябаха, И.Ю. Солдатовой, М.А. Чернышева, А.Х. Тамбиева и др.
Несмотря на большой объём научных исследований, посвященных решению данной проблемы, в настоящее время отсутствуют удобные для практического использования теоретические обобщения и методологические рекомендации, связанные с разработкой эффективных экозащитных технологий и созданием нового класса информационных систем в области экологического мониторинга, контроля и управления объектами железнодорожного транспорта.
В связи с этим целью настоящей диссертации является разработка теоретических и методологических основ создания экозащитных технологий и построения экоинформационной системы железнодорожного транспорта на основе элементов теории искусственного интеллекта, предназначенной для сбора, обработки, визуализации данных экологического контроля ОС для принятия оптимальных управленческих решений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– выполнить анализ существующей системы управления охраной окружающей среды (СУООС) на железнодорожном транспорте и оценить методы определения основных показателей организационного управления;
– разработать экоинформационную систему (ЭИС) железнодорожного транспорта с применением элементов теории искусственного интеллекта при сборе, обработке, визуализации данных экологического мониторинга и контроля для принятия оптимальных управленческих решений;
– предложить технологию построения модели представления ЭИС железнодорожного транспорта, основанную на объединении численно-аналитических методов и нечетко-логических методов, обеспечивающую возможность полного и всестороннего анализа экоинформации путем «встраивания» экспертных знаний в процесс численно-аналитического моделирования;
– разработать программное обеспечение, позволяющее проводить сбор, обработку и представление результатов экологического мониторинга и контроля;
– предложить методологию выбора экоаналитической техники передвижных экологических лабораторий, учитывающую технологическую специфику аналитического экологического контроля, эргономические требования и возможности приборной и измерительно-вычислительной техники;
– разработать методику обследования экологического состояния ОС на предприятиях железнодорожного транспорта с помощью передвижных измерительно-вычислительных экоаналитических комплексов (экологических вагонов-лабораторий (ЭВЛ));
– разработать теоретические основы создания эффективных экозащитных технологий, являющихся составной частью ЭИС железнодорожного транспорта и предназначенных для снижения негативного воздействия токсичных и вредных составляющих отработавших газов (ОГ) тепловозов на станциях реостатных испытаний и очистки сточных вод на различных объектах железнодорожного транспорта.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются технологии защиты ОС, информационная система, система управления природоохранной деятельностью, системы экологического контроля и мониторинга ОАО «РЖД», их методологическая база.
Предметом исследования выступают функциональное содержание, принципы и механизмы идентификации, а также методы их совершенствования, направленные на эффективную охрану ОС на железнодорожном транспорте.
Теоретическим объектом исследования является комплекс математических моделей анализа и обработки информации, объединенных в единую гибридную экоинформационную систему с элементами интеллектуализации процессов принятия решений.
Научная новизна
1 Разработана и научно обоснована методология создания ЭИС железнодорожного транспорта на основе элементов теории искусственного интеллекта, предназначенная для сбора, обработки, визуализации данных экологического мониторинга и контроля с целью принятия оптимальных управленческих решений.
2 Предложена гибридная модель ЭИС железнодорожного транспорта, основанная на объединении вычислительных моделей, опирающихся на методы математического анализа и программирования, и интеллектуальных моделей, опирающихся на экспертные знания о моделируемом процессе и ОС. В структуре информационной системы принципиально новой является модель представления, которая используется в качестве теоретического базиса для создания нового класса интегрированной ЭИС на железнодорожном транспорте.
3 Предложена методология, позволяющая осуществить оптимальный выбор приборной техники для передвижных эколабораторий железнодорожного транспорта и оптимизировать планировку экологического вагона-лаборатории (ЭВЛ), которая учитывает технологическую специфику экоаналитического контроля (пробоотбор и пробоподготовка – аналитическая часть – обработка информации), эргономические требования и возможности эксплуатации экоаналитической и измерительно-вычислительной техники.
4 Теоретически обоснованы и реализованы новые эффективные экозащитные технологии, предназначенные для снижения негативного воздействия ОГ тепловозов на станциях реостатных испытаний и очистки сточных вод на объектах железнодорожного транспорта.
5 Усовершенствован категориальный аппарат исследования за счет расширения представлений о категории «управление экологическими системами на транспорте» и развиты определения понятий «экоинформация» и «экоинформационные данные».
6 Адаптирована методика морфологической идентификации оценки основных параметров экологического управления на железнодорожном транспорте и расширены основные принципы выбора оптимальных параметров управления, необходимые для построения морфологической модели с учётом экологических критериев.
Теоретико-методологическую основу настоящего исследования представляют фундаментальные концепции отечественных и зарубежных исследователей, занимающихся разработкой технологий защиты ОС, информационных систем и объектов с использованием методологии искусственного интеллекта, а также изучением организационных форм предприятий.
Методологической основой диссертации является системный подход и современный математический аппарат системных исследований, развивающийся в рамках синергетической парадигмы на основе комбинирования различных ресурсов (финансовых, человеческих, материальных, энергетических, информационных и др.) в процессе изучения сложных экологических систем.
Инструментально-методический аппарат. В основу исследования поставленной проблемы и её решения положены общенаучные методы системно-функционального и сравнительного анализа, прикладной математики (математической статистики, теории решения обратных задач), а также специальные методы исследования – субъектно-объектный, экономического моделирования, методы экспертных оценок и стратегического планирования.
Информационно-эмпирическую и нормативно-правовую базу диссертации составляют научные данные, опубликованные в работах российских и зарубежных ученых, законодательные и нормативные акты в виде федеральных законов, экологическая и финансовая отчетность железнодорожных организаций, материалы научных и практических конференций, ресурсы Интернета, а также материалы, накопленные лично автором.
Практическая значимость результатов диссертации заключается в том, что полученные положения, выводы и предложения могут быть использованы для создания экозащитных технологий, информационных систем и совершенствования функционирования природоохранных систем управления на железнодорожном транспорте. Кроме этого, практическая значимость результатов заключается в реализации экотехнологий и интегрированной экоинформационной системы анализа и обработки экоинформации на объектах железнодорожного транспорта.
Результаты исследований нашли применение на Красноярской железной дороге – филиале ОАО «РЖД», Северо-Кавказской железной дороге – филиале ОАО «РЖД», Ростовском филиале ВНИИАС МПС России, а также внедрены в учебный процесс РГУПС.
Апробация диссертации и публикация материалов. Результаты диссертации докладывались на Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», МГАТУ, Москва, 1994 г.; на II Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность транспортных магистралей», МГУПС-МИИТ, Москва, 1998 г.; на Отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», РГУПС, Ростов н/Д, 1998 г.; на Международной научно-теоретической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», РГУПС, Ростов н/Д, 1999 г.; на Международных научно-теоретических конференциях «Транспорт-2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007», РГУПС, Ростов н/Д; на Международной научно-технической конференции «Дороги-2000», Брянск, 2000 г.; на Международном экологическом конгрессе «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», С.-Петербург, 2000 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Оптимизация обращения с отходами производства и потребления», Ярославль, 2000 г.; на VIII Международном симпозиуме «Railways on the Edge of the 3rd Millennium», Жилина, Республика Словакия, 2001 г., на Международной научной конференции «Транспорт XXI века», Варшава, Польша, 2001 г.; на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса юга России», РГУПС, Ростов н/Д, 2001 г.; на Научно-практической конференции «Безопасность движения на железнодорожном транспорте», РГУПС, Ростов н/Д, 2002 г.; на VII Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность», РГСУ, Ростов н/Д, 2002 г.; на Международной научной конференции «TransComp», Радом, Польша, 2002 г.; на Межведомственных научно-практических конференциях «ТелекомТранс-2003, 2004», Сочи; на Пятой Международной научно-практической конференции «Экономика, экология, и общество России в 21-м столетии», С.-Петербург, 2003 г.; на VI Международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии», Воронеж, 2003 г.; на VI Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (весенне-летняя сессия), Петрозаводск, 2003 г.; на VI Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (осенняя сессия), Сочи, 2003 г.; на Международном конгрессе «Механика и трибология транспортных систем -2003», РГУПС, Ростов н/Д, 2003 г.; на Международной научной конференции «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические», РГУПС, Ростов н/Д, 2004 г.; на V Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (осенняя сессия), Сочи, 2004 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение», РГСУ, Ростов н/Д, 2004 г.; на LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», ДИИТ, Днепропетровск, Украина, 2006 г.; на Международных научно-практических конференциях «ТелекомТранс-2006, 2007», Сочи; на VII Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (зимняя сессия), Йошкар-Ола, 2006 г.; на Международной научно-методической конференции «Безопасность жизнедеятельности: образование, экология, охрана труда, пожарная и промышленная безопасность, безопасность в ЧС», ЮРГТУ-НПИ, Новочеркасск, 2007 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий», ТулГУ, Тула, 2007 г.; на IX Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (весенняя сессия), Кисловодск, 2008 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2008 г.; на Второй международной научно-практической конференции «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте», С.-Петербург, 2008 г.; на заседаниях кафедр «Информатика» и «Безопасность жизнедеятельности» РГУПС.
В полном объеме диссертация докладывалась на заседании кафедр «Экология и безопасность жизнедеятельности» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» (С.-Петербург), «Инженерная экология» Московского государственного университета путей сообщения, на объединенном заседании кафедр «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте», «Безопасность жизнедеятельности», «Информатика» РГУПС.
Исследование проводилось в рамках паспорта научной специальности 05.22.01 «Транспортные и транспортно-технологические системы страны, её регионов и городов, организация производства на транспорте» и соответствует пунктам: 5. «Организация и технология транспортного производства. Управление транспортным производством» и 6. «Защита окружающей среды от загрязняющего воздействия транспорта».
По результатам исследований опубликовано 2 монографии и 69 научных работ, из которых 22 в изданиях, рекомендованных ВАК России для публикации основных научных результатов докторских диссертаций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 259 источников, 7 приложений. Общий объем работы составляет 327 страниц.
