Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время важной и актуальной является проблема комплексного анализа как возможных, так и реальных последствий аварий для окружающей среды и населения на радиационно-опасных объектах. В 1986 году произошла авария на Чернобыльской атомной электростанции с серьезными последствиями для окружающей среды и населения. Огромное количество разнородной информации, которую необходимо было анализировать и учитывать при принятии квалифицированных решений, потребовало проектирования и разработки компьютерных радиоэкологических моделей, баз и банков данных и Интегрированных систем.
Характерной особенностью этих систем является необходимость учета ряда важных факторов, отличающих экологическое моделирование, а именно, междисцлплинарность исследований, использование моделей различного уровня сложности, неопределенность исходной информации, коэффициентов и зависимостей, используемых в моделях, совместимость с географическими информациоїшьтми системами для анализа и представления пространственно-распределенной информации и др.
За время, прошедшее после аварии на ЧАЭС, выполнено большое количество научно-технических проектов в области радиологии, возросло понимание специфических трудностей при принятии сложных решений с учетом многих факторов. В реализации этих проектов участвовали творческие коллективы под руководством ведущих российских ученых (P.M. Алексахин, СТ. Беляев, Ю.А. Израэль, Л.А. Ильин, А.Ф. Цыб и др.). Многолетняя работа специалистов Росгидромета, НПО "Тайфун", Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, РНЦ "Курчатовский Институт", НПО "Радиевый Институт им. В.Г.Хлопина", Российского института радиационной гигиены, Всероссийского института сельскохозяйственной радиоэкологии и агроэкологии, ИБРАЭ РАН, Медицинского радиологического научного центра, Института биофизики, Института эволюционной морфологии и экологии животных и др. позволила накопить и систематизировать уникальную информацию о последствиях крупномасштабной ядерной аварии на ЧАЭС для окружающей среды и человека.
В последнее время выполнен также ряд проектов по анализу последствий аварии на ЧАЭС в рамках сотрудничества КЕС-Беларусь- Российская Федерация-Украина, результаты которых обобщены в трудах международной конференции в Минске в 1996 году (The radiological consequences of the Chernobyl accident. EUR 16544 EN, 1996, 1192 p.) и в соответствующих научно-технических отчетах. В частности, к настоящему
времени подготовлено большое количество тематических карт как у нас в стране, так и за рубежом. Опубликованные карты отражают уровни загрязнения местности соотвественно требованиям и принятым критериям о мерах безопасности для населения. Последние карты составлены в ИКГЭ с участием всех организаций, проводивших аэрогамма-спекгрометрические съемки, отбор проб почвы и их гамма-спектрометрический анализ. Отметим работу, выполненную большим творческим коллективом (координаторы проекта: М. De Cort, Ю.С.Цатуров, И.И.Матвеенко, Ю.А.Израэль и Л.А.Табачный) над проектом Атласа по загрязнению цезием территории Европы после аварии на ЧАЭС [Atlas on caesium contamination of Europe after the Chernobyl accident. EUR 16542 EN, 1996, 37 p]. В рамках проекта собран и предварительно обработан огромный материал по загрязнению цезием Европы. В качестве метода интерполяции использовался метод обратных квадратов, сформулирована необходимость использования и развития современных методов и моделей геостатистики.
Сложность и пятнистость поверхностной загрязненности Чернобыльскими радионуклидами на разных масштабах, от метров в населенных пунктах, до десятков и сотен километров (региональные масштабы), неточность и неопределенность данных, вызванные как ограниченной точностью измерений, так и мелкомасштабной изменчивостью, потребовали разработки методологии анализа, обработки и представления данных радиоэкологического мониторинга, включающей анализ и количественное описание сети мониторинга, современные достижения геостатистики, фрактального анализа, алгоритмов и методов искусственного интеллекта. Выбор модели в рамках предложенной схемы зависит как от количества и качества исходных данных, так и целей и задач анализа. Уникальность и разнообразие Чернобыльских данных позволяют провести сравнительный анализ моделей и методов и выработать практические рекомендации по проведению анализа пространственно-распределенных радиоэкологических данных. Анализ пространственных корреляционных структур выпадений с учетом анизотропии, кросс-валидация методов, с помощью которых обрабатываются данные и готовятся карты, а также количественное описание неопределенности пространственного интерполирования, использование адаптивных методов и моделей дополняют и развивают возможности традиционного анализа Чернобыльских данных.
Цель работы состоит в развитии и реализации прикладных Интегрированных систем для анализа последствий радиационных аварий, разработке современной методологии/схемы анализа, обработки и представления ггоостранственно-распределенньгх данных радиоэкологического монито-
5 ринга, включающей традиционный и геостатистический анализ, а также методы и алгоритмы искусственного интеллекта.
Достоверность. Доставеркость разработанных моделей подтверждается их сравнением с реальными данными по Чернобыльским выпадениям на разных территориях. Используемое математическое обеспечение многократно тестировалось с помощью аналитических решений, стандартных тестов и примеров. Алгоритмы исследования пространственно-распределенных данных анализировались и оценивались с помощью методов кросс-валидации, на стандартных примерах и валидацией на данных Чернобыльских выпадений.
Научная новизна. В диссертационной работе:
-
Разработан и реализован ряд прикладных Интегрированных систем и банк базовых радиоэкологических моделей для анализа последствий радиационных аварий. Модели Интегрированных систем могут работать как в интерактивном режиме, так и в пакетном, когда требуется обработка больших баз данных.
-
Предложена методология/схема анализа, обработки и представления пространствеішо-распределенньїх данных радиоэкологического мониторинга, базирующаяся на известных и предложенных автором моделях и методах. Проведен последовательный геостатистігческий анализ пространственно-распределенных данных Чернобыльских выпадений для ряда загрязненных регионов. Выполнены совместные пространственные интерполяции коррелированных переменных Чернобыльских выпадений.
-
Использованы методы стохастического моделирования для описания пространственной вариабельности и неопределенности Чернобыльских данных и построения равновероятных карт выпадений. Построены карты вероятности превышения заданного уровня загрязненности.
-
Реализованы искусственные нейронные сети для задач анализа пространственно-распределенных данных радиоэкологического мониторинга. Построены сети прямого распространения, с помощью которых выполнены пространственные интерполяции поверхностного загрязнения Чернобыльскими радионуклидами.
-
Предложены смешанные модели, базирующиеся на применении моделей искусственных нейронных сетей и методов геостатистики и стохастического моделирования для анализа нестационарных пространственно-распределенных данных.
6. Используя фрактальный анализ и методы компьютерной графики разработан алгоритм условного моделирования мелкомасштабной структуры пространственно-распределенных данных.
Практическая значимость. Разработанные в диссертационной работе концепции и методики позволили решить ряд важных задач радиоэкологического моделирования и анализа пространственно-распределенных данных:
разработан и реализован ряд прикладных Интегрированных систем, совместимых с географическими информационными системами: "ВОЯЖ", "RAMIS", "БрИС";
проведена верификация и валидация ряда радиоэкологических моделей по миграции радионуклидов в почве и пищевых цепочках;
проведен сравнительный анализ методов пространствешюй интерполяции с использованием данных Чернобыльских выпадений. Выработан ряд рекомендаций по проведению анализа и выбору модельно-зависимых параметров;
« проведен анализ и построены теоретические модели пространственных корреляционных структур для ряда загрязненных регионов;
по изложенным в работе идеям и подходам разработан и реализован ряд пакетов прикладных программ для анализа, обработки и представления пространственно-распределенных данных: различные методы дскластеризации, кросс-валидация геостатистических и традиционных моделей, анализ фрактальной размерности сетей мониторинга, фрактальные интерполяции, описание неопределенности изолиний;
предложен и реализован ряд пакетов прикладных программ для подготовки данных и отображения результатов моделирования на картах;
реализован генератор динамических моделей миграции радионуклидов в пищевых цепочках, позволивший эффективно решить задачу проектирования и построения компьютерных моделей.
Работы были частично поддержаны Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант "Комплекс фундаментальных исследований по анализу последствий тяжелых аварий на АЭС для окружающей среды и человека", 94-02-03832-а ) и ИНТ АС (грант 94-2361 "Soil pollution: cartography, risks, decision support systems")- Ряд прикладных Интегрированных систем в различной конфигурации был реализован в рамках контрактов с Мшгастерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (а ранее с Госкомчернобылем РФ), а также с Военно-Морским Флотом РФ.
7 Реализация результатов работы состоит в:
-
создании методического, алгоритмического и программного обеспече-Ш1я для решения задач радиоэкологического моделирования и анализа последствий радиационных аварий;
-
использовании развитой методологии обработки и представления пространственно-распределенных данных для изучения и анализа Чернобыльских выпадений на различных масштабах и имеющих различную пространственную корреляционную структуру;
-
создании подсистемы Управленческой Информационной Системы "Чернобыль" Департамента по преодолению радиационных катастроф Министерства по Чрезвычайным Ситуациям РФ.
Защищаемые положения:
-
Разработаїгьі прикладные Интегрированные системы для поддеряош принятия решеюпі по преодолению последствий радиационных аварий для окружающей среды и населения. Ингефированные системы включают базы и банки данных, банки моделей, системы информационной поддержки, диалоговые модули и элементы географических информационных систем, взаимодействующие друг с другом через стандартные интерфейсы.
-
Разработана методология/схема последовательного анализа, обработки н представления пространственно-распределенных данных радиоэкологического мониторинга, включающая:
статистический и фрактальный анализ сетей мониторинга, статистиче
ский и пространствеюшй корреляционный анализ радиоэкологических
данных, кросс-валидацию,
в сравнительный анализ различных детерминистических и статистических методов пространственных интерполяций,
анализ и описание пространственной вариабельности и неопределенности данных с помощью геостатистического и фрактального стохастического моделирования,
вероятностное карпфование радиоэкологических данных и технологию подготовки карт радиоэкологического мониторинга, включающую информацию о вероятных ошибках іпххлранственньїх интерполяций.
3. Реализована и апробирована на реальных Чернобыльских данных тех
нология использования искусственных нейронных сетей для поиска нели
нейных трендов при геостатистическом анализе и стохастическом модели
ровании тіостранственно-расгіределенньїх данных.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на семинарах ЙБРАЭ РАН, на международной конференции "Геохимические пути миграции искусственных радионуклидов в биосфере" (Гомель, 1990), на семинаре Кельнского университета (Кельн, Германия, 1991), на семинаре Уранового института (Лондон, 1991), на международном семинаре по уровням вмешательства и противомерам при ядерных авариях (Кадараш, Франция, 1991), на Ежегодной научно-технической конференции Ядерного общества "Ддерная энергия и безопасность человека" (Нижний Новгород, 1993), на Международной конференции по восстановлению радиоактивно загрязненных территорий в Европе (Антверпен, Бельгия, 1993), на СОМЕТТ семинарах Теостатистика и загрязнение окружающей среды" (Фрайберг, Германия, 1994; Рим, Италия, 1994; Лозанна, Швейцария, 1995), на Ежегодных конференциях Международной ассоциации математической геологии (Канада, 1994; Япония 1995), на Всероссийской конференции "Радиоэкологические, медицинские и социально-экономические последствия аварии на Чернобыльской АЭС. Реабилитация территорий и населения" (Голицйно 1995), на международной конференции по математическому моделированию и научному программированию (Бостон 1995), на первой международной конференции Европейской Комиссии, Беларуси, Российской Федерации и Украины по радиологическим последствиям Чернобыльской аварии (Минск, 1996), на международных конференциях по искусственному интеллекту (AIHENP'96, Лозанна, Швейцария 1996; AIENG'96, Флорида, США 1996), на 30 Геологическом конгрессе (Пекин, 1996), на V Геостатистическом конгрессе (Австралия, 1996), на международной конференции ENVIROSOFT'96 (Италия, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе 35 печатных работ в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов докторских диссертаций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы (397 названий) и приложений.