Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния и направлений развития информационного обеспечения систем экологической безопасности воздушной среды 12
1.1 Проблемы управления экологической безопасностью воздушной среды на примере региона Курской Магнитной Аномалии 12
1.2 Функциональное определение системы экологической безопасности 16
1.3 Модели управления эколого-экономической системой 22
1.4 Анализ существующих экоинформационных систем 24
1.4.1 Основные принципы организации экоинформационных систем 24
1.4.2 Географическая информационная система .- 28
1.4.3 Экспертные системы 29
1.5 Обоснование выбора мультиагентной технологии для построения? системы обеспеченияэкологической безопасности воздушной среды региона 33
Выводы по главе 1 38
ГЛАВА, 2. Разработка модели мультиагентной системы» управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности1 воздушной среды региона 40
2.1 Основные концепции построения мультиагентных систем 40
2.2 Формирование иерархических уровней системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной средьгрегиона 43
2.3 Инициализация агентов МАСЭБ по ролевому принципу 47
2.4 Разработка моделей и алгоритмов функционирования агентов МАСЭБ
2.4.1 Моделирование агента - ресурса МАСЭБ 52
2.4.2 Моделирование агента — предприятия МАСЭБ 56
2.4.3 Моделирование агента — супервизора МАСЭБ 60
2.4.4 Комплексная оценка экологического состояния воздушной среды
региона
2.6 Формализация переговоров агентов МАСЭБ на основе теории игр. 69
Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3. Разработка моделей и алгоритмов функционирования мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной средьшегиона ... 76
3.1 Стратегия поведения интеллектуальных агентов МАСЭБ- .76
3.1.1 Разработка стратегии поведения агента-предприятия 76
3.1.2 Модель адаптивного поведения агента-супервизора МАСЭБ .78
3.2 Разработка модели идентификации промышленного источника выбросов загрязняющих веществ .. 89
3.2.1 Модель «пеленгации» источника выбросов станциями? контроля 89!
3.2.2 Решение обратной задачи переноса примеси 94
3;3 Разработка базы данных МАСЭБ 97
33.1 Организация базы данных системы. 101
3.3.2 Концептуальная модельбазьг данных 102
3\3;3 Построение инфологической модели данных 103
3:3.4 Разработка структуры базы данных .106
3:3:4 .Распределение данных по?агентам?МАСЭБ 112
Выводы по главе 3 І 115
ГЛАВА 4: Экспериментальная проверка гипотезы исследования ианализ полученных результатов 117
4Л Выбор программных средств реализации системы 117
4.1.1Г Обоснование выбора системного обеспечения 117
4.1.2 Выбор системы управления базами данных. 121
4.2 Описание структуры автоматизированной информационной системы, 126
4.2.1 Уровень субъекта РФ - агент-супервизор 126
4.2.2 Уровень природопользователя - агент-предприятия 128
4.2.3 Уровень агента-ресурса 130
4.2.4 Описание режима работы с МАСЭБ 131
4.3 Разработка МАСЭБ в рамках промышленного региона КМА 136
4.3.1 Описание эколого-экономического состояния региона КМА 136
4.3.2 Определение участников эколого-экономической системы региона КМА 140
4.3.3 Разработка структуры MAC управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной среды региона КМА 142
4.4 Пример решения задачи управления экологической безопасностью воздушной среды 144
4.4.1 Проверка положений метода идентификации источника промышленных выбросов агентом —ресурса. 145
4.4.2 Оценка модели обучения агентов МАСЭБ : 149
4.4.3 Расчеты эколого-экономических эффектов принятия управляющих решений 153
Выводы по главе 4 : 157
Заключение 159
Список литературы
- Модели управления эколого-экономической системой
- Формирование иерархических уровней системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной средьгрегиона
- Разработка модели идентификации промышленного источника выбросов загрязняющих веществ
- Разработка структуры MAC управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной среды региона КМА
Введение к работе
Актуальность темы. Экологические исследования, проведенные в последние десятилетия, показали, что все возрастающее разрушительное воздействие антропогенных факторов на воздушную среду (ВС) привело ее на грань кризиса. Все чаще экологические системы попадают в категорию «критичных», что в первую очередь вызвано всевозможной деятельностью человека. Поэтому так важна система регулирования, комплекс упреждающих мероприятий, направленных на недопущение развития чрезвычайных ситуаций - система экологической безопасности. Необходимы механизмы, которые согласовывали бы интересы подсистем и направляли движение в русло, где соблюдается разумный баланс между экономикой и экологией.
Принятие решений в управлении экологической безопасностью природоохранной деятельности должно опирается на достоверную и полную информацию о фактическом состоянии природных и техногенных объектов. В этой связи особую значимость приобретают информационные системы, реализующие функции мониторинга, оценки состояния ВС и управления. Основные принципы информационных систем управления экологической безопасностью были сформулированы в трудах Кафарова В.В., Попова Н.С., Примака А.В., Перова В.Л., Смирнова В.Н., Вента Д.П. и др.
Однако, на сегодняшний день действующие экологические информационные системы в полном объеме не отвечают требованиям информационного обеспечения процедур принятия решений в области охраны и экологически безопасного использования ресурсов. Отсутствие в большинстве регионов РФ эффективной технологии мониторинга ВС затрудняет процесс управления и принятия решений. Традиционно, исследования по созданию экологических информационных систем (работы И.И. Потапова, A.M. Шутко, И.А. Данилина, СО. Лоса, Л.С. Паркинсона, Х.Х. Крамера) ориентируются лишь на построение сети различных датчиков. Они независимо распределяются на территории контроля и способны собирать информацию и передавать ее центральному устройству обработки, на основе работы которого производится визуализация полученной информации и оператором на основе его субъективных оценок и опыта вырабатываются окончательные заключения об экологическом состоянии территории. Главная особенность такого положения заключается в сложной пространственной и функциональной распределенности, относящейся как к территориальной удаленности постов контроля, так и различным целям участников эколо-го-экономической системы, их сложном и высоко динамичном взаимодействии; невозможности построения единой целевой функции эколого-экономической системы.
Отмеченные обстоятельства позволяют заключить, что исследование и разработка новых моделей и системы управления экологической безопасностью ВС, является в настоящее время актуальной задачей, для решения которой возникает необходимость в привлечении знаний из различных областей и современных методов принятия решений, включая методы искусственного интеллекта.
Цели и постановка задач исследования. Целью диссертационной работы является разработка и реализация интеллектуальной распределенной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения региональной экологической безопасности ВС на основе технологии мультиагентных систем.
Достижение цели работы потребовало решения следующих задач:
на основе анализа и оценки существующих моделей и методов управления эколо-го-экономическими системами построение модели распределенной многоуровневой системы управления региональной экологической безопасностью ВС;
разработка методики поддержки принятия решений и управления региональной экологической безопасностью на основе технологии мультиагентных систем;
разработка моделей: интеллектуальных агентов в соответствии с ролевым назначением, механизма взаимодействия интеллектуальных агентов, процесса выбора агентами стратегии поведения, задачи идентификации источника чрезмерных выбросов;
разработка структурной модели и алгоритмов работы автоматизированной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона.
Объект исследования. Информационная система управления и поддержки принятия решений в эколого-экономических системах.
Предмет исследования. Процессы принятия управленческих решений в эколого-экономических системах с целью снижения негативного воздействия на воздушную среду объектов промышленности и устойчивого развития природно-техногенного комплекса.
Методы исследования. При проведении исследований в рамках задачи диссертационной работы использованы методы мультиагентных систем с персонифицированными агентами, теория коммуникации агентов, методы теории систем, основанных на знаниях, иерархических игр, теории нечетких нейронных сетей, распределенных баз данных.
Научная новизна и значимость результатов диссертационной работы состоит в следующем:
предложена методика построения автоматизированной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения региональной экологической безопасности ВС с использованием мультиагентной технологии, отличительной особенностью которой является адаптивность управления к текущим изменениям в эколого-экономической системе;
синтезирована модель мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения региональной экологической безопасности из автономных агентов, выделенных по ролевому признаку, и отличающаяся полнотой отображения процессов управления и принятия решений;
построены поведенческие и структурные модели интеллектуальных агентов системы, модель их взаимодействия на основе теории иерархических игр, позволяющие адекватно представить цели и стратегии поведения субъектов эколого-экономической системы;
-разработана модель адаптивного поведения агентов в процессе функционирования системы на основе нейро-нечеткого Q-обучения, отличающаяся высокой скоростью обучения агентов;
-предложен комплекс алгоритмов, функциональная схема и разработано программное обеспечение, необходимые для реализации мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона и отличающиеся функциональной полнотой и универсальностью.
Достоверность научных результатов. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, включенные в диссертационную работу, подтверждены расчетами, моделированием на ЭВМ, экспертными оценками специалистов, соответствующими актами и справками, дипломом конкурса научных работ, а также апробацией результатов на основе данных региона Курской магнитной аномалии.
Практическая значимость и результаты внедрения.
1. Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что они позволяют на основе разработанных моделей и алгоритмов реализовать автоматизированную систему управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона. Система позволит всем заинтересованным лицам получить комплекс достоверных и регулярно обновляемых данных об экологической обстановке; обеспечить оперативное принятие управленческих решений в области экологии и природопользования; предоставить возможность сопоставить и качественно проанализировать природно-ресурсную, социально-экономическую и экологическую информацию;
подготовить необходимые рекомендации и ограничения режимов природопользования и оценить степень воздействия хозяйственных мероприятий на атмосферный воздух.
2. Результаты внедрения. Результаты диссертационной работы используются при оценке экологической безопасности в службе государственной экологической инспекции Белгородской области и Белгородского областного центра гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды. Разработанные модели, методы и алгоритмы применяются в учебном процессе при изучении студентами специальных дисциплин «Системы искусственного интеллекта», «Проектирование систем управления», «Интеллектуальные информационные системы».
На защиту выносятся:
Методика построения автоматизированной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона с использованием мультиагентной технологии.
Модели и алгоритмы функционирования интеллектуальных агентов с учетом их ролевого назначения.
Модель взаимодействия интеллектуальных агентов на основе теории иерархических игр.
Модель нейро-нечеткого Q-обучения, которая позволяет агентам выбора оптимальной стратегии поведения.
Функциональная схема и алгоритмы системы управления экологической безопасностью на основе технологии мультиагентных систем. Программный комплекс реализации предложенной системы.
Соответствие диссертации паспорту специальности. В диссертационном исследовании разработаны и применены методы поддержки принятия управленческих решений к задачам управления эколого-экономическими системами, что соответствует формуле специальности 05.13.10 - «Управление в социальных и экономических системах». В соответствии с целью, задачами и полученными научными результатами диссертация соответствует следующим пунктам области исследования: П.5. Разработка специального математического и программного обеспечения систем управления принятия решений в социальных и экономических системах; П. 10. Разработка методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений в экономических и социальных системах.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: «Проблемы геологии, экологии и рационального природопользования» (г. Новочеркасск, 2007 г.), «Современные сложные системы управления» - HTCS2008 (Тверь, 2008г.), III Международная научная конференция «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж, 2009г); на Всероссийских конференциях: III Всероссийская молодежная научная конференция по проблемам управления (МКПУ-2008) (г.Москва, 2008г.), 31-я конференция молодых ученых и специалистов Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН «Информационные технологии и системы 2008» (Геленджик, 2008г.), V Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Управление большими системами 2008» (Липецк, 2008г.), 3-я Научная конференция Автоматизация в промышленности (Москва, 2009г.), 32-я конференция молодых ученых и специалистов Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН «Информационные технологии и системы 2009» (Бекасово, 2009 г.); на региональных, научно-практических конференциях «Образование, наука, производство и управление в XXI веке» (Старый Оскол, 2007,2008,2009,2010), «Молодые ученые - производству» (Старый Оскол, 2007, 2008).
Работа удостоена диплома конкурса научных работ по теории управления и ее приложениям за 2009 год, проводимого ИПУ РАН.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 17 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационных исследований, общим объемом 72 стр. (лично автором выполнено 63 стр.).
В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении целей и задач работы [3,4,6,7], в разработке моделей и алгоритмов [1,2,5,9,10,12,14,15,17], основных элементов программных средств управления и их внедрения [11,13,16].
Исследование поддерживалось грантом: «Разработка теоретических основ энергоресурсосбережения и экологической безопасности металлургических процессов» (№ 1.6.09).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения, заключения, библиографического списка из 120 наименований, 6 приложений; содержит 146 страниц основного текста, 41 рисунок, 38 таблиц.
Модели управления эколого-экономической системой
Всесторонняя экологическая оценка состояния ВС, изучение механизма деятельности, структурных особенностей, анализ целостности и устойчивости природных систем разного масштаба, прогнозирование их динамического развития, определение возможной деградации экосистем и степени ухудшения качества жизни человека являются в настоящее время важнейшими задачами современной экологии [57].
Человечество-за короткий исторический срок сильно дестабилизировало всю систему, вызвав глобальный экологический кризис. Человек создает для себя опасную среду. Под экологической» опасностью подразумевают экологические воздействия, в результате которых могут произойти изменения в окружающей среде и вследствие этого изменятся условия существования человека и общества[91]. Для. решения экологических задач необходимо радикальное изменение во взглядах на развитие экономики- и цивилизации в целом. Поэтому в-1992 году на всемирной конференции ООН была принята-Стратегия устойчивого- развития, основой которой является идея равновесия между окружающей средой и ее ресурсами, экономикой и населением Земли.
Указом Президента Российской Федерации от 1 апреля- 1998 года была утверждена концепция перехода РФ к устойчивому развитию [92]. В Концепции под устойчивым развитием понимается стабильное социально-экономическое развитие, не разрушающее своей природной основы. Эта концепция подразумевает переход России к устойчивому развитию, обеспечивающему решение социально-экономических задач и проблем сохранения благоприятной окружающей среды и природно-ресурсного потенциала в целях удовлетворения нынешнего и будущих поколений людей.
В настоящее время антропогенные источники опасности превышают естественные природные. Одним из напряженных в экологическом плане зон является регион Курской магнитной аномалии (КМА), охватывающий 9 областей РФ, имея длину 850 км при ширине до 200 км. Здесь разведано 18 месторождений железа с запасами 850 млрд. т железистых кварцитов и 80 млрд. т богатых железных руд. КМА в своих недрах помимо железных руд содержит высококачественные бокситы, флюсовое и формовочное сырье, огнеупоры, стекольное сырье, строительные материалы, цементное, агрохимическое, химическое сырье и т.д. По последним данным в зонах локализации железных руд присутствуют промышленные содержания золота, платины и платиноидов, меди, никеля, кобальта, хрома, редких и радиоактивных элементов. Кроме того, на территории региона «малыми» карьерами добываются общераспространенные полезные ископаемые: пески, мел и глины. Являясь промышленно развитым объектом РФ, регион дает стране сегодня 36,8% железных руд, 4,4% готового-проката, 9,6% цемента, 20% шифера1, 30% асбоцементных труб, 13% облицовочной керамики, и много других промышленных и продовольственных товаров [82].
Технология выпуска указанной продукции неразрывно связана с техногенными загрязнениями и нарушениями ОС. Особенно интенсивно» данные факторы проявляются на территории Белгородского промышленного района, где на ограниченной территории сконцентрировано около 300 крупных и средних промышленных предприятий. В том числе таких крупных, как ЛГОК, СГОК, шахта им. Губкина, Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК), Губкинская ТЭЦ, Осколцемент, Завод моющих средств и бытовой химии, ряд крупных предприятий машиностроения и пищевой промышленности.
Степень экологической опасности промышленных предприятий КМА на ВС определяется ее многофакторным и интенсивным воздействием:
Загрязнения атмосферного воздуха газами и пылевыми выбросами предприятий (при буровзрывных, погрузочно-разгрузочных и транспортных работах, при дроблении руды и ее переделе, пылении отвалов хвостохранилищ, складов готовой продукции, при производстве строительных материалов, в литейном производстве и цехах механической обработки, специфические выбросы химических производств) и т.д., транспортом.
Учитывая тот факт, что для всего человечества одной из основ социального прогресса является добывающая промышленность, а материальные потребности населения любых стран даже на отдаленную перспективу на 80% будут зависеть от обеспеченности промышленности минеральным сырьем [57] - можно с уверенностью утверждать, что объемы добычи и переработки минерального сырья будут увеличиваться. На КМА данный фактор будет реализован, скорее всего, в ближайшее время. А значит, в перспективе ожидается не ослабление, а усиление антропогенного давления на природу. Больше того, зоной расширения горно-добычного комплекса (ГДК) окажется регион КМА, где уже разрабатывается открытым способом Лебединское, Стойленское и Михайловское месторождения железа (ЛГОК, СГОК и МГОК) и подземным - Коробковское (Комбинат «КМАруда»), подготавливаются к разработке Яковлевское и Гостищевское месторождения, разведаны Салтыковское, Приоскольское и Чернянское.
Проблемы,устойчивого развития тесно связаны) с проблемами управления безопасностью. В 2010 г. принят закон Российской Федерации «О безопасности»[94]. Под безопасностью РФ понимается-качественное состояние общества и государства, при котором обеспечивается защита каждого человека, проживающего на территории РФ, его прав и гражданских свобод, а также надежность существования и устойчивость развития России, защита ее основных . ценностей, материальных и духовных источников жизнедеятельности, конституционального строя и государственного суверенитета, независимости и территориальной целостности от внешних врагов.
Формирование иерархических уровней системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной средьгрегиона
Связь между управляющей и управляемой системами, осуществляется с помощью прямых и обратных потоков информации. Информация о ходе производственного процесса из управляемой» системы в управляющую. Эта информация і анализируется и служит основой для выработки командных воздействий и решений, которые поступают в. управляемую систему для исполнения: Помимо внутрипроизводственных связей между объектом и субъектом- управления управляющая система (субъект управления) также широко использует внешние связи и внешнюю информацию.
Говоря о предприятии как о системе и совокупности его элементов, как в объекте, так и субъекте дифференцированно рассматриваются подсистемы, решающие свои конкретные специфические задачи: техническую, технологическую, организационную и социальную. Все подсистемы представляют единство функционирования предприятия и тесно взаимосвязаны между собой.
Однако социальная система совместно с экономической выступает в качестве задающего блока: определяет стратегию и тактику развития, формулирует принципы, методы организации производства и специфику природоохранной деятельности.
На качественном уровне задача управляющих органов заключается в выборе таких условий деятельности предприятий, которые побуждали бы последних выбирать действия, приводящие к наиболее выгодным для управляющих органов результатам. С точки зрения задач управления, специфика эколого-экономической системы заключается в следующем: - результаты деятельности управляемых субъектов многоаспектны и подвержены воздействию множества неконтролируемых, неопределенных и случайных факторов; - интересы различных управляющих органов могут не только не совпадать с интересами, предприятий, но и противоречить друг другу; - эколого-экономическая система не может самостоятельно отстаивать свои интересы, ее реакция носит спонтанный и запаздывающий.характер; - существенным является институциональные ограничения (нормативно-правовая база) деятельности предприятий и их взаимодействия с управляющими органамш Перечисленные особенности эколого-экономических систем требуют учета при разработке соответствующих механизмов управления.
Для решения вышеперечисленных задач разрабатываемая мультиагентная система управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона (МАСЭБ) должна обладать следующими свойствами: 1. МАСЭБ должна иметь иерархическую.фиксированную структуру. 2. Осуществлять постоянный обмен информацией с внешней средой и между блоками системы — коммуникативные способности. 3. Способность сотрудничать с людьми или другими компьютерными агентами в интересах решения задачи. 4. Способность к самообучению, то есть умение автоматически извлекать знания из накопленного опыта и применять их для решения задач управления экологической безопасностью. 5. Адаптивность, то есть способность к развитию в соответствии с объективными изменениями области знаний. 6. Активность, т.е. способность инициировать решение задачи и предлагать свои услуги пользователю.
Для управления экологической безопасностью региона предлагается использовать технологию MAC, которая позволяет построить и промоделировать поведение предприятий и органов власти региона. Данное моделирование включает в себя основные параметры, характеризующие действующие лица, и, прежде всего мотивы экономической активности, ее цели и средства достижения этих целей.
Любая MAC состоит из следующих основных компонентов [Тарасов]: 1) множество организационных единиц, в котором выделяются подмножество агентов; 2) множество задач; 3) среда, т.е. некоторое пространство, в котором существуют агенты; 4) множество отношений между агентами; 5) множество действий агентов.
Дляїопределения системы требуется.предварительно.задать ее функции1 и заранее распределить их между агентами, указав их отношения между собой и со средой: Распределение задач предполагает назначение ролей , каждому из членов группы, определение меры его ответственности-и требований к опыту. Агенты должны функционировать в соответствии с закономерностями-среды на основе ее адекватного отражения, т. е. все взаимодействия! среды и агентов взаимозависимы и не могут рассматриваться отдельно друг от друга. Речь идет о сети связанных между собой решателей, которые совместно работают в целях решения задач, которые выходит за рамки индивидуальных возможностей. Различные узлы подобной сети, как правило, имеют неодинаковый опыт (знания, точки зрения) и разные ресурсы. Каждый узел должен быть способен модифицировать свое поведение в- зависимости от обстоятельств, а также планировать свои стратегии коммуникации и кооперации с другими узлами. Здесь показателями уровня кооперации являются: характер распределения задач, объединение различных точек зрения и, конечно, возможность решения общей проблемы в заданное время. [84]
Структура MAC управления экологической-безопасностью ВС (МАСЭБ) (рис.5) реализуется через этапы непосредственного сбора информации, её анализа, идентификации ситуации и принятия решений для регулирования и эффективного управления. При этом необходимо отметить, что состав и количество агентов может меняться, в зависимости от сложности задачи и особенностей, возникающих при функционировании системы в реальных условиях.
На рис.5 выделены блок знаний (база.данных незнаний агентов MAC); блок-анализа и идентификации (агент - ресурса); блок принятия решений (агент - супервизор и агент - предприятия).
Разработка модели идентификации промышленного источника выбросов загрязняющих веществ
Знания предметной области - данные мониторинга, допустимые значения собираемых показателей и т.д., то есть информация, характеризующая ресурс. Знания о решаемой задаче содержит сведения, которые отражают закономерности, существующие в рассматриваемой предметной области, сведения о содержании базы данных, методы многомерного анализа данных и метазнания, определяющие способы и методы представления и переработки знаний. Знания о взаимодействиях содержит знания и убеждения агента о других агентах, информацию о совместных планах и намерениях, сведения по языку общения. Такое функциональное разделение знаний существенно упрощает их представление, повторное использование и эксплуатацию, поскольку эти компоненты могут создаваться и поддерживаться независимо.
Предложенный подход к моделированию агента-ресурса МАСЭБ, позволяет создавать автономного программного агента, способного осуществлять как интеллектуальное, так и реактивное поведение (своевременно реагировать на появление новой информации, изменения в существующих данных и т. д.). Представленная архитектура позволяет осуществить модульную систему, где каждая! из компонент может извлекаться и модифицироваться независимо друг от друга.
Вне зависимости от типа и характера производства любое предприятие связано с окружающей его природной средой. На всех этапах хозяйственной деятельности происходит обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Предприятие выступает первым и наиважнейшим элементом в хозяйственной деятельности человека, влияющим на загрязнение и деградациюВС, то есть деятельность каждого предприятия региона приводит к снижению уровня экологической безопасности региона в целом[47].
Стратегию развития экологической деятельностью определяет его экологическая политика, направленная на обеспечение устойчивого состояния ОС при осуществлении предприятием хозяйственной деятельности, которая регламентирована ГОСТ Р ИСО 14050-99 [16]. Согласно которому экологическая политика предприятия должна учитывать влияние следующих факторов: анализа внешних условий экологической деятельности с учетом особенностей региона, территорий и предприятий; экологического риска, методов их регулирования и компенсации потерь от наносимого ущерба при воздействии загрязняющих выбросов в атмосферу, воду, почву; мероприятий по диагностике и предотвращению аварийных ситуаций; предполагаемых финансовых издержках экологической деятельности; подготовка сообщений пользователю системы.
Для того, чтобы свести к минимуму отрицательное воздействие на окружающую среду, необходимо выработать механизмы управления — это совокупность управленческих, технологических, финансово-экономических мероприятий, направленных на снижение экологической нагрузки на окружающую природную среду. При этом важно, учесть, что эти мероприятия» должны, проводиться «в рамках действующего производства.
Агент - предприятия1 отстаивает интересы і своего предприятия; преследующего свои частные цели, часто, расходящиеся с объективно существующими целями устойчивого и безопасного развития региона. Но каждое предприятие должно1 соответствовать действующему природоохранному законодательству, установленному уровню экологической безопасности, а также другим требованиям, природоохранного характера[23]. Создание агента-предприятия позволит обеспечить создание системы оценивания экологической эффективности (ОЭЭ) предприятия — это внутренний процесс и инструмент управления, предназначенный для обеспечения руководства информацией о том, соответствует ли экологическая эффективность организации заданным критериям. В общем можно дать следующее определение: ОЭЭ - это постоянный процесс сбора и оценки данных, а также информации для обеспечения текущего оценивания экологической эффективности и тенденций ее изменения со временем. ОЭЭ позволяет сравнить прошлую и настоящую экологическую эффективность организации с критериями этой эффективности [48]. По полученной информации от агента — ресурса агент - предприятия может выявить места высоких выбросов в ВС и провести переговоры с агентом - супервизором (рис.8).
На основе этих переговоров производится выбор системы экономических механизмов, что может включать как существенное изменение типа применяемых механизмов (например, замена механизма платы за выбросы механизмом ограничений на выбросы), так и изменение параметров механизма без изменения его типа (изменение принципов распределения квот, платежей и т.д.).
Архитектура агента - предприятия представлена на рис.9 [35]. Подсистема коммуникаций и знания о взаимодействиях выполняют аналогичные функции, присущие агенту - ресурса. Подсистема управления, оценивая текущее состояние и эффективность системы управления экологической безопасностью предприятия, выбирает ту или иную стратегию, которая даст наибольшее значение его целевой функции. Знания предметной области содержит данные о контролируемых технологических параметрах, затраты на природоохранную деятельность и стоимость основных производственных фондов по охране окружающей среды, установленные нормативы и лимиты, налоговые ставки и т.п.
Разработка структуры MAC управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной среды региона КМА
Введем новую переменную х = vrcos pr, где (рг - угол, образованный средним направлением ветра Г(ЛГ) и текущим значение его направления на такте измерения N. Тогда значение концентрации примеси в момент времени t будет описываться линейной регрессионной моделью вида: С/ = Е =0 a-k t-h + т (3.23) Cj где ак- неизвестная константа; 1 - независимая от t_-fc случайная переменная с нулевым средним значением и постоянной дисперсией. Выражение (3.23) описывает распределенное во времени влияние х на С и относится к моделям распределенного лага. В распеределенности значений xt_k и заключается память обо всех искривлениях линий тока поля ветра, влияющих на концентрацию поля примеси. Поскольку (3.23) содержит бесконечное число параметров ак, оценить их невозможно. Надо определить начальную продолжительность лага по известному расстоянию s от пеленгующего поста до самой дальней границы расположения источников и среднее значение скорости ветра vT: к = s/(vrAt) (3.24) Имея дело со случайными временными рядами СІ , Xj, оценку параметра Щ будем производить рекуррентным методом наименьших квадратов: ai+l ai " " УІМ+І ІЧЦ хі аі) Pt+i = W - XtOfPtXt + ІТЧГіХЇРг (3.25) Где Уі — функция переключения, имеющая вид: в противном случае 7=0 . Здесь С, = xfat; 1-единичная матрица; А — допустимая погрешность модели; P(0)=I10R, а0 = [0Д...03Г; Т-знак транспонирования. Смысл функции (3.25) состоит в том, чтобы сохранить оценки параметров? модели а постоянными, пока1 ошибка прогноза (СІ+1-С1+1) оказывается меньше установленного уровня:
Практическое использование (3.52) предполагает накопление статистики Значений С; , Xj . Процедура вычисления оценок at выполняется при каждом получении новых значений С;, (pr, vr. При этом получается вектор вида Процесс построения модели (3.23) считается законченным, если у =0. Итак, построив модель поведения концентраций примеси в зависимости от прошлых и настоящих значений направления и скорости ветра, можно решить задачу поиска источника выбросов следующим образом: пусть пост в некоторый момент времени t регистрирует значение Cj Cjlim, это значит, что какой-то- источник выбросов нарушил нормативы ПДВ. И пусть к этому времени модель (3.23) адекватна. Из адекватности модели следует отбор значимых членов ряда 2 а xt_k, т.е. становится известной «глубина памяти» к. В» отличие от начального значения, определенного по формуле (3.24), вновь найденного значение к в задаче идентификации полезно тем, что определяет время переноса примеси от источника до поста контроля.
Найти координаты расположения источника можно следующим образом: для, заданного значения к известны VQ,v[t...v. Тогда путь пройденный частицами примеси от источника до поста составит расстояние I = At 2f=1 v[ -cos pl (3.27) Это расстояние необходимо отложить в противоположном направлении среднего направления ветра. Таким образом, зная среднее направление ветра и «глубину переноса» примеси 1 можно оценить «потенциальное» местонахождение источника выбросов.
Следует обратить внимание на то что при решении, задачи поиска аномально работающего источника на каждом1 шаге поі времени решается- не одна, а N независимых задач-[26]. Агенты - ресурса; получив.исходные данные, ведут расчеты независимо друг от друга и найденные на каждом шаге по времени решения своей задачи возвращают агенту-супервизору, который проводит сравнение полученных значений и выбирает значение с минимальной ошибкой. Данная организация процесса идентификации, источника выбросов дает возможность повысить точность определения координат аномально работающего промышленного источника выбросов.
Обратная задача переноса примеси формулируется следующим образом: требуется по известным- метеорологическим данным атмосферы и результатам измерений концентрации газообразной примеси в N точках, проводимых в течение некоторого периода времени Т, определить параметры (мощность, координаты и время срабатывания) источников примеси. Математическая постановка обратной задачи записывается с использованием сопряженных уравнений. Для этого адвективно-диффузионное уравнение переноса примеси умножается на функции Q (t, х, у, z) и интегрируется по времени и пространству. После некоторых математических преобразований получаются сопряженные уравнения: (3.28) зс дис dVCf. dWCji , _/,„ д fr fe"dv dz дх 1 дх. dv L dv dt дх -f[ - l = Pk,k = l...N. ozl " dzJ начальные и граничные условия Сь(Т,х,у,г) = 0, х = Q:UCk + Г = 0;x = bx:UC + Г = 0; (3.29) дЪ дСІ y=Q:Vq + Г-- = 0;у = LviVC +T--± = 0; z = 0:ff-—- = aQ;z = _: — - 0, где U,V,W — компоненты соленоидального вектора скорости атмосферного воздуха, rjCz - коэффициенты турбулентной диффузии, а - интенсивность влажного осаждения (вымывания осадками) примеси, Рк = 8(х - х06(у — yk}S(z - zk)S(t - tk), к = 1 ...N; N - количество измерений концентраций {Ск}, 8() — дельта — функция, а — скорость сухого осаждения примеси, а также двойственное представление функционала от концентрации примеси: + № = f0LxttcPk dzdydxdt Ck= Цfr fcQQdzdydxdt + So t іоУСк Uo Rdvdxdt ,k = l... N (3.30)
Здесь Q — интенсивность поступления примеси от М рассматриваемых высотных источников, = }=i Qj(t) S(x - xf)8(y - yf )8(z - zf\ Qj{t} расход выброса из источника с координатами х, у/, z, R = R(t, х, у) — интенсивность поступления примеси от наземных источников.
Следует обратить внимание на то, что при решении задачи поиска аномально работающего источника на каждом шаге по времени решается не одна, а N независимых задач. Агенты - ресурса, получив исходные данные, ведут расчеты независимо друг от друга и найденные на каждом шаге по времени решения своей сопряженной задачи возвращают агенту-супервизору, который ищет глобальный минимум функционала: /(С) = J&xUlSfftfccZQdzdydxdt % f C Rdydxdt - Cfc)= (3.31) позволяющий определить параметры источников загрязнения.
Дискретизация дифференциальных уравнений модели переноса примеси может осуществляться с использованием метода конечного объема на основе явных и явно-неявных разностных схем. Для аппроксимации адвективных членов1 может быть использована схемам Ботта на равномерной сетке. Все рассматриваемые разностные схемы аппроксимируют дифференциальную-задачу и условно устойчивы по начальным данным.
Математическая постановка задачи, по определению городских районов -загрязнителей воздуха по измеренным значениям концентрации примеси состоит из (2.28)-(2.29) и поиска распределения Q (х,у) - интенсивность источников примеси (наземных и приподнятых) в точке (х,у):
