Статистичні методи та засоби контролю гідроекосистеми в умовах екологічного забруднення

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 658.562:519.23+504.064

Статистичні методи та засоби контролю

гідроекосистеми в умовах екологічного забруднення

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Любимова Ніна Олександрівна

Харків - 2002



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії Міністерства освіти та науки України, м. Харків

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Боличевцев Олексій Дмитрович, Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків завідувач кафедри автоматики та радіоелектроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Шапорєв Валерій Павлович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, м. Харків завідувач кафедри хімічної технології та промислової екології

кандидат технічних наук, доцент, Сергієнко Олег Юрієвич, Харківський Національний автомобільно - дорожній університет, доцент кафедри електричних систем та комплексів транспортних засобів

Провідна установа: АТ Науково - дослідний інститут радіотехнічних вимірювань Національного космічного агентства України, м. Харків.

Захист відбудеться "23" травня 2002 р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м.Харків, вул.Фрунзе 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий "17" квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.



Анотації

Любимова Н.О. Статистичні методи та засоби контролю гідроекосистеми в умовах екологічного забруднення.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин .- Українська інженерно - педагогічна академія, Харків, 2002.

Дисертація присвячена рішенню актуальної наукової задачі розробки методів і засобів поліпшення якості контролю випадкових процесів екологічних об'єктів на прикладі гідроекосистеми в умовах дії антропогенного навантаження. Теоретично обґрунтований вибір як узагальненого показника якості водного об'єкту середнього квадрату концентрації розчиненого кисню у воді і його представлення у вигляді лінійної комбінації спектральних складових. Запропоновано й реалізовано алгоритм декомпозиції узагальненого показника за впливаючими факторами. Введені в розгляд і досліджені вірогіднісні критерії якості дискретного виміру безперервного випадкового процесу, у яких ознака точності відрахунків сполучається з ознакою інформативності. Пропонуються рекомендації з вибору критеріїв якості цільової функції автоматизації контрольованого об'єкту в залежності від економічних втрат. Запропоновано організаційну структуру засобу контролю водного об'єкту в складі САК в умовах дії антропогенного навантаження. Виведено аналітичні співвідношення для розрахунку числових вірогіднісних характеристик за даними експерименту. Результати роботи використовані в наукових дослідженнях УІПА, КП ''Південукргеологія'', ЦНДЛ ХДМУ, УкрНДІЕП.

Ключові слова: технічний контроль, випадкові процеси, контрольовані параметри, екологічне забруднення, критерії якості, інтегральний функціонал, узагальнений показник, крок дискретизації, засіб контролю, гідроекосистема.



Любимова Н.А. Статистические методы и средства контроля гидроэкосистемы в условиях экологического загрязнения.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Украинская инженерно-педагогическая академия, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена решению актуальной научной задачи - разработке методов и средств улучшения качества контроля случайных процессов экологических объектов (на примере контроля гидроэкосистемы в условиях антропогенного загрязнения).

Предложен и развит вероятностный метод измерения обобщенного показателя объектов свернутого контроля. Главное достоинство метода - его оцениваемая точность и гибкость, что достигается благодаря ряду его преимуществ, по сравнению с классическими методами измерения показателя. екологічний гідроекосистема антропогенний дискретний

Выбран и теоретически обоснован обобщенный показатель водного объекта - средний квадрат концентрации кислорода в контролируемых створах объекта. Показано, что именно для этого показателя существует устойчивый (независимый от длительности реализации контролируемых параметров) спектр частот, а сам показатель может быть представлен в виде линейной комбинации своих спектральных составляющих. Установлена частотная избирательность основных групп факторов, оказывающих влияние на состояние гидроэкосистемы. Выделено четыре группы таких факторов в сравнительно узком диапазоне частот. Предложен и реализован алгоритм декомпозиции обобщенного показателя по влияющим факторам.

Введены в рассмотрение и исследованы вероятностные критерии качества дискретного измерения непрерывного случайного процесса, в которых признак точности дискретных отсчетов сочетается с признаком информативности. Один из таких критериев - критерий смежного перехода - описывает вероятность того, что любые два смежных отсчета отличаются друг от друга на один квант. На его базе поставлена и решена задача оптимального согласования интервалов квантования и дискретизации измеряемого процесса.

Выделено три типа КП, по разному влияющих на выбор целевой функции, оценивающей качество автоматизации контролируемого объекта. Исходя из условия пропорциональности показателя качества автоматизации потерям экономической эффективности процесса, получены критерии качества. Поставлена задача экспериментального нахождения числовых вероятностных характеристик контролируемых параметров объектов контроля с наперед заданной точностью. Предложен реализующий решение этой задачи алгоритм сбора и расчета экспериментальных данных. Примечательная особенность расчетов: все они выполняются по идентичным расчетным формулам. Разработана структура контроля водного объекта (участка реки) в условиях действия антропогенной нагрузки. Она предполагает измерение концентрации растворенного кислорода в трех створах.

Выделены три обобщенных показателя, описывающие экологическое состояние водного объекта: уровень загрязнения, эффективность самоочищения, остаточное загрязнение. Они взаимосвязаны и выражаются через усредненные концентрации кислорода в разных створах. Предложен алгоритм оценки экологической обстановки участка реки в условиях действия антропогенного фактора. Приведена блок-схема алгоритма, расчетные таблицы, графики, программа машинной обработки экспериментальных данных. Разработанные алгоритмы, модели, методики внедрены в производственный и учебный процессы.

Ключевые слова: технический контроль, случайные процесси, контролируемые параметры, экологическое загрязнение, критерии качества, интегральный функционал, обобщенный показатель, шаг дискретизации, средство контроля, гидроэкосистема.



Lyubimova N.А. Statistical methods and facilities of checking hidroecosystem in conditions ecological pollution.-Manuscript.

Thesis on claim teaching degrees of candidate of technical sciences on professions 05.11.13 - Instruments and methods of checking a determination of composition substances.- Ukrainian engineering-pedagogical academy, Harkov, 2002.

Thesis is denoted deciding an actual scientific problem method development and facilities of perfecting a quality of checking the casual processes of ecological objects on the example hidroecosystemes in conditions of ecological contamination.Theoretically motivated choice as generalised factor of quality of operation of water object average square to concentrations of soluble oxygen in water and its presentation in the manner of single-line combinations of spectrum component. Offered and marketed algorithm to decompositions of generalising factor on affect factors. Carried in consideration and explored probabilistic quality criterion of discrete unceasing casual process measurement, in which sign of accuracy of counting out is combined with the sign informatility. Offered recommendations at the option of quality criterions to target functions to automations of control process depending on economic expenseses. Offered organizing structure of device of checking a water object in the composition of automatic stations of checking water in conditions of ecological contamination. Removed asked analytical correlations for the calculation of numeric probabilistic features as of the experiment.

Keywords: technical checking, casual processes, controlled parameters, ecological contamination, quality criterion, integral functionality, generalised factor, step to sampling, checking facility, gydroecosystem.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми В умовах переходу економіки України до ринкових відносин, проблеми контролю, обліку, економії і раціонального використання народно-господарських і природних ресурсів стали першочерговими задачами державного рівня. У розділі “Державна система екологічного моніторингу” Постанови Верховної Ради України від 5 березня 1998 р. №188/98-ВР “Про основні напрями державної політики України в галузі охорони довкілля, використання природних ресурсів та забезпечення екологічної безпеки” відзначається необхідність вирішення цих задач. На сьогоднішній день існуючі системи автоматичного контролю (САК) гідроекосистем не дозволяють вирішити все різномаіття задач в галузі природокористування. Інформаційне забезпечення САК недостатньо систематизоване, потребує теоретичного обгрунтування та подальшого удосконалення.

Ці актуальні задачі вирішуються у дисертаційній роботі на підставі дедуктивного підходу до досліджень технічного контролю взагалі та функціонального згорнутого контролю зокрема. Розробляються статистичні методи підвищення й оцінки якості екологічного контролю. Запропоновані методи та засоби контролю допомагають вирішити протиріччя між інформаційним забезпеченням станцій та затратами на їхнє утримання без втрат якості контролю.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами Робота відповідає плану Української інженерно-педагогічної академії по створенню нових методик технічного контролю випадкових безперервних процесів в рамках держбюджетної НДР на 1999 - 2001р. по темі №9/15 “Моделі і методи чисельного контролю”, а також ґрунтується на попередньо виконаних у 1995-98 роках двох госпдоговірних роботах. Дослідження відповідають Положенню Кабінету Міністрів України “Про здійснення державного моніторингу вод” від 20.07.1996 р. № 815.

Розробки були використані разом із ''Южукргеологія'' ХКГП по темі ''Моніторинг геологічного середовища території Сумської, Полтавської, Харківської областей (2001-2006 р.р.) №У-01-30/17'' від 1.12.2000 р., у ряді спільних робіт із ЦНДЛ ХДМУ й УкрНДІЕП.

Мета і задачі дослідження

Метою дослідження є теоретичне обґрунтування методів і удосконалення засобів контролю об'єктів, що описуються випадковими процесами, зокрема, гідроекосистеми; розробка аналітичних залежностей критеріїв його якості, що дозволяють істотно підвищити швидкодію, вірогідність і економічність.

Для досягнення поставленої мети вирішуються взаємозалежні задачі:

теоретичне обґрунтування вибору узагальненого показника водного об'єкту, що описується випадковими процесами;

розробка алгоритму дискретного контролю узагальненого показника гідроекосистеми з оцінкою точності результату;

установлення частотної вибірковості основних груп випадкових факторів, що впливають на узагальнений показник, і подальша декомпозиція його в процедурі контролю;

розробка вірогіднісних критеріїв якості дискретного виміру квантованого випадкового процесу, для яких ознака близькості результату виміру сполучається з ознакою його інформативності;

отримання аналітичної залежності середнього квадрату похибки дискретного усереднення контрольованого параметру (КП) від часу його усереднення, кроку дискретизації і числових вірогіднісних характеристик;

визначення оптимальних значень критеріїв якості систем контролю з оцінкою економічної ефективності;

розробка аналітичних співвідношень для розрахунку числових вірогіднісних характеристик за даними експерименту;

розрахунок узагальнених показників, що описують екологічний стан водного об'єкту;

розробка структурно - функціональної схеми засобу контролю гідроекосистеми в умовах антропогенного навантаження.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є випадкові фізико-біологічні процеси, що протікають у гідроекосистемі та породжують задачу контролю її стану, необхідного для виконання норм природокористування, в умовах екологічного забруднення.

Предметом дослідження є система автоматичного контролю (САК) гідроекосистеми в умовах екологічного забруднення.

Методи досліджень Для досягнення мети використовувалися методи теорії вимірів, теорії помилок, математичного аналізу, теорії імовірностей, математичної статистики, теорії викидів випадкових процесів, теорії інформації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

вперше теоретично обґрунтовано вибір узагальненого показника гідроекосистеми, що уявляє собою спектральну щільність потужності змісту розчиненого кисню у воді;

розроблено алгоритм визначення узагальнених показників водного об'єкту з оцінкою точності кінцевого результату;

теоретично обґрунтована й експериментально показана наявність частотної вибірковості основних груп, що впливають на узагальнений показник факторів; пропонована, відповідно до цього, подальша декомпозиція узагальненого показника дозволяє істотно підвищити точність і вірогідність контролю;

вперше розроблені вірогіднісні критерії якості дискретного виміру квантованого випадкового процесу, для яких ознака близькості результату виміру сполучається з ознакою інформативності; при оптимальному виборі кроку дискретизації відповідно до цих критеріїв похибка не перевищує 0,1%;

вперше отримано аналітичну залежність середнього квадрату похибки дискретного усереднення КП від часу його усереднення, кроку дискретизації і числових вірогіднісних характеристик;

отримано інженерні співвідношення, що дозволяють аналітично розраховувати оптимальне значення критеріїв якості САК гідроекосистеми;

на базі отриманих теоретично співвідношень за даними експерименту проведені чисельні розрахунки, що дозволяють оцінити поточний екологічний стан водного об'єкту з наступним прогнозуванням;

удосконалено структурно-функціональну схему засобу контролю гідроекосистеми в умовах антропогенного навантаження з використанням програми машинної обробки даних.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає у теоретичному обгрунтуванні та формалізації дослідження контролю природних об'єктів, що описуються випадковими процесами, розробці його математичних моделей і алгоритмів, розробці аналітичних залежностей критеріїв якості контролю, доведених до інженерних розрахункових формул і схем. Теоретичні рішення розглянуто на конкретному прикладі контролю гідроекосистеми.

Запропоновані методики, алгоритми й схеми технічного контролю впроваджені у виробництво при створенні: рекомендацій з організації контролю технологічних і природних об'єктів у районі розташування ПГЗКа разом з УкрНДІЕП; методики вибору кроку опитування КП в умовах порушеного режиму підземних вод на базі "Південукргеологія" ХКГП ; методики вибору кроку опитування КП для автоматичного посту контролю якості стічних вод на біоочисних спорудах разом із ЦНДЛ ХДМУ; програми навчального процесу (у тому числі лабораторних робіт) в УІПА спеціальності 8.010104.05 "Професійне навчання. Електроніка, радіотехніка, електронна схемотехника і зв'язок" відповідно до участі в НДР №9/15 від 24.12.1999.

Особистий внесок здобувача полягає в слідуючому: вперше отримані методики розрахунку та оптимізації інформаційно - точнісних критеріїв якості дискретного виміру безперервних випадкових КП гідроекосистеми в умовах антропогенного навантаження; визначені методологічні основи побудови та використання дворівневого алгоритму дискретного виміру узагальнюючих показників в засобі контролю гідроекосистеми; вперше отримана аналітична залежність середнього квадрату похибки дискретного виміру КП від часу його усереднення, кроку дискретизації та чисельних вірогіднісних характеристик; удосконалена структурно - функціональна схема засобу контролю гідроекосистеми в умовах екологічного навантаження.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень і результатів підтверджується: коректним використанням математичного апарату; висновком чисельних залежностей, яким надається закінчена розрахункова форма, зручна в інженерному користуванні; адекватністю розроблених моделей, перевірених на практиці та у ході обчислювального експерименту; апробацією роботи на числених конференціях і семінарах міжнародного та іншого рівнів.

Апробація результатів дисертації пройшла на багатьох науково-технічних і методичних конференціях та семінарах, у тому числі: на 6 Міжн. н.-т. к. “Екологія промислового регіону” / Донецьк: Дон ДТУ, 1995 р./; на 2 М. н.-т. к. “Метрологія в електроніці” /Харків: ДНВО” Метрологія”, 1997 р./; на 5 М. н.-т. к. “Контроль і керування в складних системах” / Вінниця: ВДТУ, 1999 р./; на 2 М. н.-т. к. “Метрологія і вимірювальна техніка” /Харків: ХДНДІМ, 1999 р./; на М. н.-м. к. “ Інженерна освіта на межі століть” / Харків: ХДПУ, 2000 р./; на М. н.-м. к. “Актуальні проблеми інженерної підготовки фахівців у вузах інженерно - педагогічного профілю” /Харків: УІПА, 2000 р./; на М. к. з математичного моделювання / Херсон: ХДПУ, 2000р./; на Межд. к. з мат. мод. / Херсон: ХДПУ, 2001р./; на 9 Міжнародній н.-т. к. “Екологія і здоров'я людини. Охорона водного і повітряного басейнів Утилізація відходів” / АР Крим 2001 р/.

Публікації Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в 18 друкованих працях, у тому числі 10 статей у журналах і збірниках наукових праць і 8 робіт у матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг роботи Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку та 5 додатків. Повний обсяг дисертації викладений на 167 сторінках; 2 ілюстрації по тексту, 12 ілюстрацій на 11 сторінках; 1 таблиця по тексту, 2 таблиці на 2 сторінках; 5 додатків на 37 сторінках; 83 використаних літературних джерела на 9 сторінках.

Основний зміст роботи

У першому розділі дається загальна характеристика предмету дисертаційних досліджень. Проводиться класифікація технічного контролю за пріоритетними ознаками. Розглядається функціональний згорнутий контроль, КП якого виражаються функціональними залежностями, а кількісна визначеність - числовими величинами. Вони звичайно являють собою деякі інтегральні функціонали від КП та називаються узагальненими показниками якості. До числа об'єктів згорнутого контролю відноситься навколишнє середовище і, зокрема, гідроекосистема. Розглянуті особливості її контролю.

Приведено та описано спрощену функціональну схему системи контролю і керування природоохоронними заходами на типовому водному об'єкті. Сформульовано коло теоретичних і практичних задач згорнутого контролю, розв'язаних у подальших розділах.

В другому розділі розглянуті методологічні особливості оцінки якості функціонування об'єктів згорнутого контролю, що описуються випадковими процесами. Вони знаходять своє концентроване вираження в понятті узагальнених показників об'єкту та мають загальну математичну структуру - структуру інтегрального функціоналу. Проте, фізичні особливості об'єкту накладають на його дослідження ту або іншу специфіку. У цьому розділі увага приділяється розробці й аналізу узагальнених показників гідроекосистеми.

Узагальнений показник являє собою деякий функціонал від КП об'єкту. На практиці найбільш розповсюджений випадок, коли цей функціонал описується як середнє за часом у деякому інтервалі відомої скалярної функції від випадкового параметру

. (1)

Сам функціонал являє собою якусь фізичну величину, що оцінює якість (або ту або іншу сторону якості) функціонування об'єкту. Запропоновано вірогіднісний метод знаходження (виміру) узагальненого (інтегрального) показника, прийнятний для багатьох природних об'єктів, що описуються випадковими безперервними КП. Він має, у порівнянні з класичним методом, ряд обчислювальних та організаційних переваг.

Поточний стан водного об'єкту залежить від багатьох випадкових факторів (фізичної, хімічної, біологічної та іншої природи). Попередні числені дослідження в галузі контролю гідроекосистем за допомогою багатофакторних експериментів з використанням регресійних методів, критеріїв, експертних оцінок та попередньо виконаних чисельних розрахунків рекомендують використовувати в якості узагальнюючого показника якості гідроекосистеми концентрацію розчиненого кисню у воді. У роботі показано, що стосовно до гідроекосистеми в умовах антропогенного навантаження, КП можна обирати концентрацію розчиненого кисню у водному середовищі , а як скалярну функцію - квадрат цієї концентрації

.



Таким чином, узагальнений показник водного об'єкту з'являється у вигляді інтегрального функціоналу, що описує середню потужність концентрації,

,

а методична похибка дискретного виміру показника описується функціоналом Немировського , складеного для кореляційної функції випадкового процесу

.

Виявлено загальні властивості методичної похибки. Розроблено метод її обчислення, заснований на покроковому інтегруванні функціоналу

,… - кореляційна функція та її похідні в нулі.

Дійсні екологічні параметри звичайно описуються випадковими стаціонарними процесами з безперервно диференційованими реализаціями. Для них непарні похідні в нульовій точці перетворюються на нуль, та згадане розложення приймає більш простіший вигляд:



Ці розложення викривають як загальні властивості функціоналу Немировського, так і його особливості, характерні для тієї або іншої моделі КП.

Установлено частотну вибірковість основних груп факторів, що впливають на концентрацію кисню у водному середовищі. Виділено чотири таких групи. Одну з них складає група постійних антропогенних факторів (регулярних викидів), що лежать у порівняно вузькому інтервалі частот - 1,5-1,69 період/добу.

Розроблено й обґрунтовано метод практичного знаходження спектральної щільності “потужності” концентрації, минаючи попереднє знаходження кореляційної функції КП. Запропоновано алгоритм декомпозиції середньої потужності узагальненого показника за впливаючими факторами. Практична реалізація алгоритму описується в розділі 5. Процедура виміру узагальненого показника здійснюється дискретно і містить у собі вимірювальні та обчислювальні операції. Вимірювальні операції проводяться над КП в дискретні моменти часу Від правильного вибору кроку опитування в значній мірі залежить якість контролю.

У третьому розділі вирішується задача вибору кроку опитування КП екологічного об'єкту. КП гідроекосистеми описуються безперервними випадковими функціями часу. Задача вибору кроку опитування (кроку дискретизації) повинна вирішувати протиріччя між повнотою отримуємої інформації та її вартістю. Відомі оцінки якості дискретного виміру безперервного процесу базуються на ознаці “близькості” його вихідної і відновленої реалізації. Згідно з цими оцінками якість виміру тим вища, чим менше крок дискретизації вимірюємого процесу. Такі критерії не враховують квантування процесу і тому неінформативні. Пропонується розбити діапазон можливих змін КП квантування, так названі квант-зони, тривалістю . Квант-зони виділяють якісно рівнозначні значення КП. Занижений крок дискретизації неекономічний, тому що повторює результати контролю, завищений крок дискретизації приводить до пропуску відомого числа квант-зон, збільшуючи похибку виміру.

Необхідно знайти крок рівномірної дискретизації КП за можливостю великим, але таким, при якому проходження параметром окремих квант-зон в інтервалі між вимірювальними операціями було досить рідким. Ідеальним вважається таке рішення, при якому довільна пара суміжних відрахунків різниться точно на один квант. У цьому випадку в рамках природного допуску на похибку виміру моменти відрахунків виявилися б максимально рознесеними у часі. Зрозуміло, таке рішення недосяжне в умовах рівномірної дискретизації. Однак можна спробувати знайти рішення, при якому описана ситуація - відмінність пари суміжних відрахунків на один квант - зустрічалася б найбільш часто. Запропановано поняття критерію суміжного переходу - імовірності того, що результат довільної пари сусідніх вимірювальних операцій відрізняється один від одного на один квант. Розглянуто випадок нормального розподілу КП з щільністю розподілу f(x) і отримано загальний інтегральний запис критерію

, (3)

у якому c(x) - деякий ваговий коефіцієнт

,

при цьому - інтеграл імовірності вигляду

,



а параметри дорівнюють відповідно

, , .

У критерії суміжного переходу ознака точності вимірювальних відрахунків сполучається з ознакою їхньої інформативності. Отримано компактне аналітичне співвідношення оптимального значення цього критерію

. (4)

Звертає на себе увагу практична незалежність максимуму від малих змін аргументу функції (4). При відхиленні аргументу в околі точки оптимуму функція змінюється менш чим на . Іншими словами, існує деякий досить широкий інтервал приблизно рівноцінних значень кроку опитування . Саме оптимальне значення може бути знайдене із співвідношення

або по спрощеній формулі

,

де - квант відліку, - дисперсія, - усереднена кругова частота КП.

У четвертому розділі дисертації розглянуті підходи до побудови критеріїв якості системи автоматизації - керування контрольованим об'єктом у цілому. Узагальнені показники якості об'єкту кількісно характеризують успішність його функціонування в цілому. Розрахунки (вимір) показників - одна з основних функцій сучасних контрольно - вимірювальних та інформаційних систем. Чим точніші виміри, тим вірніша оцінка стану об'єкту. Вона ж, у свою чергу, є основою для керування об'єктом, оцінки ефективності його автоматизації.

На базі цих оцінок у розділі розроблені критерії якості автоматизації, що виражаються через усереднені вірогіднісні характеристики КП. З цією метою наведена класифікація КП за їх ”технологічною” природою - характеру впливу виходу параметру з норми на цільову функцію. Виділено дві групи параметрів, - параметри першого і другого роду, умовно названі “аварійними” та “режимними”.

Система контролю і керування повинна забезпечити стабільність КП у межах норми. Якщо виходити з умови пропорційності показника якості системи середнім втратам економічної ефективності процесу то, як показує аналіз: а) при стабілізації параметрів першого роду логічний критерій СЧВ (середньої частоти виходів з норми); б) при стабілізації параметрів другого роду з вираженою нормою логічний критерій СЧН (середнього часу перебування параметра поза нормою); в) при стабілізації параметрів другого роду з невираженою нормою (квадратичною цільовою функцією) логічний критерій СКВ (середнього квадратичного відхилення). Запропоновані рішення дозволяють визначити оптимальні значення критеріїв якості систем контролю та керування, оцінити резерви економічної ефективності об'єкту автоматизації, підвищити його якісні показники.

У п'ятому розділі викладені вище теоретичні положення використовуються при проектуванні та модернізації САК водного об'єкту. Поставлено й вирішено практичні задачі, пов'язані з досвідним знаходженням вірогіднісних характеристик об'єкту контролю. Розроблено структуру пристрою виміру та обробки узагальнених показників гідроекосистеми.

Для оцінки впливу окремого випуску стічних вод на стан водного об'єкту за існуючими нормативними правилами достатньо провести контроль води в трьох створах (пунктах): 1) безпосередньо вище спуску - фоновий ствір; 2) безпосередньо нижче спуску - ствір викидів; 3) значно далі спуску, на відстані не менш 1 км, - замикаючий ствір. Кількісна оцінка впливу випуску здійснюється за трьома узагальненими показниками, що позначаються та відображують реакцію гідробіоценозу на антропогенний вплив, процеси самоочищення і наявність залишкового забруднення. Ці показники розраховуються за формулами

, , , (5)

у яких - усереднені значення рівня концентрації кисню в першому, другому і третьому створах. Процедура знаходження (виміру) показників (5) містить вимірювальні та обчислювальні операції і реалізується автоматизованим пристроєм, спрощена структурна схема якого приведена на малюнку 1.

Тут: - датчики концентрації кисню в створах 1, 2, 3. Вони працюють дискретно, підключаючись до об'єкту через розподільник Р у визначені моменти часу

( - крок опитування КП) на час, необхідний для виміру концентрації. Крок опитування визначається заздалегідь за розробленим в дисертації алгоритмом і може змінюватися від 1 до 4 годин.

Інформацію про рівні концентрації датчики видають у дискретні моменти часу на блок формування реалізацій КП (БФР). По кожному каналу блок формує 10 реалізацій (дискретних значень реалізацій добової тривалості Т=24 години). Реалізації формуються послідовно друг за другом.

Дані кожної реалізації надходять у блок визначення її спектральної функції (БФР), що розраховує останню в дискретному ряді точок , які охоплюють весь спектр істотних впливаючих на концентрацію кисню факторів. Орієнтовно він включає частоти . Загальна розрахункова формула дискретних значень спектральної функції й реалізації, по одному каналу

Початкове значення приймається рівним “0”. Інтервал між двома суміжними частотами зручно взяти рівним “1”, тобто . Можна вибрати будь-яке інше менше, (краще кратне) одиниці значення, (наприклад, ).

У блоці окремо сумуються дійсні і уявні частини (6)

, , (7)

після чого знаходиться квадрат модуля спектральної щільності реалізації

(8)

Результати розрахунку (8) передаються і зберігаються в 10-ти накопичувачах (по кожному каналу), звідки по закінченню формування останньої реалізації знімаються блоком розрахунку спектральної щільності концентрації кисню (БСЩ). Останній описує математичне очикування (середнє за множиною реалізації) квадратів модулів спектральної функції (8), що з коефіцієнтом дає

оцінку спектральної щільності потужності концентрації кисню у відповідному створі

.

По цим даним через смугову фільтрацію (БСФ) відповідно до співвідношень (5) розраховуються показники .

Розглянутий підхід рекомендовано для ділянки ріки рівниного типу, глибиною не більше 15 метрів, з забрудненням переважно органічного походження. Як приклад розглядався один з найбільш забруднених об'єктів України. На ділянці ріки в районі Донбасу оцінювався вплив промислових стічних вод Рубежанського промислового об'єднання “Барвник”, що скидає органічні сполуки. При цьому використовувався аналізатор “Оксиметр 1”, призначений для виміру концентрації розчиненого кисню в поверхневих водах. Результати вимірів та обробки концентрації розчиненого кисню у воді за десять діб з частотою виміру 4 години подані в таблицях і в графічній формі додатку.

Запропоновані керуючі заходи за результатами виконаного контролю, вони залежать від конкретного водного та промислового об'єкту (встановлення аварійних засувок, організація замкнених циклів водопостачання, встановлення додаткових фільтрів, штрафні санкції та інше).

У висновку сформульовані наукові результати і практична значимість роботи.

У додатку подані блок - схема алгоритму усереднення та оптимізації, таблиці зі значеннями КП, графіки, таблиці, лістінги програми машиного експерименту, що ілюструють отримані результати, акти впровадження результатів дисертаційної роботи.



Висновки

Дисертаційна робота є узагальненням і розвитком комплексу питань, пов'язаних з підвищенням якості роботи систем функціонального згорнутого контролю екологічних об'єктів, що описуються випадковими процесами. Коротко зупинимось на основних результатах роботи:

1. Розвинено дедуктивний підхід в дослідженні технічного контролю випадкових процесів гідроекосистеми, що дозволяє в бінарних уявленнях адекватно описати її стан. Виконано аналіз загальної класифікаційної схеми контролю як родової процедури.

2. Запропоновано й розвинено вірогіднісний метод виміру узагальненого показника об'єктів згорнутого контролю. У загальному випадку такий показник являє собою деякий інтегральний функціонал від сукупності контрольованих параметрів (КП) об'єкту, що описуються векторним випадковим процесом. Самі показники використовуються як для потреб оцінки та обліку, так і для мети керування об'єктом. Головна перевага методу - його точність і гнучкість, що оцінюється та досягається завдяки ряду його переваг, у порівнянні з класичними методами виміру показника.

3. Обрано й теоретично обґрунтовано узагальнений показник гідроекосистеми. Таким показником виступає середній квадрат концентрації кисню у створах контрольованого об'єкту. Показано, що саме для цього показника існує стійкий (незалежний від тривалості реалізації контрольованих параметрів) спектр частот, а сам показник може бути представлений у вигляді лінійної комбінації своїх спектральних складових.

Установлено частотну вибірковість основних груп впливаючих на стан гідроекосистеми факторів. Виділено чотири групи таких факторів, кожна з яких лежить у порівняно вузькому діапазоні частот. Запропоновано і реалізовано алгоритм декомпозиції узагальненого показника за впливаючими факторами.

4. Введені в розгляд і досліджені вірогідносні критерії якості дискретного виміру безперервного випадкового процесу, у яких ознака точності дискретних відрахунків сполучається з ознакою інформативності. На його базі поставлена й вирішена задача оптимального узгодження інтервалів квантування і дискретизації вимірювального процесу. Отримані кількісні результати дозволяють зробити деякі загальні висновки, що відносяться до дискретного виміру безперервних випадкових процесів: для знаходження оптимального кроку рівномірної дискретизації випадкового процесу досить знати інтервал його квантування, дисперсію й автокорреляційну функцію; у задачах поточного контролю інтервал опитування КП не повинен перевищувати ; у задачах згорнутого контролю інтервали опитування , які менші , економічно недоцільні; при оперативних вимірах із запам'ятовуванням результату тільки останнього відліку оптимальна тривалість майбутнього кроку опитування практично не залежить від цього результату і дорівнює оптимальному кроку рівномірної дискретизації вимірюваного процесу.

5. Виділено три типи КП, по різному впливаючих на вибір цільової функції, котра оцінює якість автоматизації контрольованого об'єкту. Виходячи з умови пропорційності показника якості автоматизації втратам економічної ефективності процесу, отримані відповідні критерії.

6. Поставлено задачу експериментального знаходження числових вірогіднісних характеристик КП об'єктів з наперед заданою точністю. Запропоновано реалізуючий рішення цієї задачі алгоритм збору експериментальних даних. Виведено аналітичні співвідношення для розрахунку числових характеристик за даними експерименту. Примітна особливість розрахунків: усі вони виконуються за ідентичними розрахунковими формулами.

7. Запропоновано методичну структуру контролю водного об'єкту (ділянки ріки) в умовах дії антропогенного навантаження. Вона припускає вимір концентрації розчиненого кисню в трьох створах. Виділено три узагальнених показники, що описують екологічний стан водного об'єкту: рівень забруднення, ефективність самоочищення, залишкове забруднення. Вони взаємозалежні і виражаються через усереднені концентрації кисню в різних створах.

Запропоновано алгоритм оцінки екологічного стану ділянки ріки в умовах дії антропогенного фактору. Подано блок-схему алгоритму, розрахункові таблиці, графіки, програму машинного експерименту.



Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Болычевцев А.Д., Любимова Н.А., Прусенко В.А. Некоторые задачи экологического контроля.- Сб. тр. VI Межд. н.-т. к. “Экология промышленного региона”. - Донецк: 1995. - С. 68-69. Автором розглянуті різновиди екологічного контролю.

2. Болычевцев А.Д., Любимова Н.А., Шевченко О.С. Природная среда как объект контроля. - Сб. тр. VI Межд. н.-т. к. “Экология промышленного региона”. - Донецк: 1995. - С. 69-70. Автором розглянуті особливості екологічного контролю

3. Болычевцев А.Д., Демьяненко В.И., Любимова Н.А. Вероятностный метод измерения интегрального показателя. - Зб. тр. II Міжн. н.-т. к. “Метрологія в електроніці”.- Харків: 1997. - Т. 1. - С. 29-33. Автором розглянуті переваги запропонованого вірогіднісного методу

4. Болычевцев А.Д., Демьяненко В.И., Любимова Н.А. Специфика исследования текущего контроля. Зб. тр. II Міжн. н.-т. к. “Метрологія в електроніці”. - Харків: 1997. - Т. 1. - С. 33-38. Автором запропонована математична модель в дослідженні текучого контролю.

5. Болычевцев А.Д., Быстрицкая Л.Б., Любимова Н.А. Локальные критерии качества систем контроля и управления непрерывным производством. // Автоматика, автоматизация, электротехнические комплексы и системы. - Херсон: 1999. - № 2. - С. 85-91. Автором зроблена постановка задачі розрахунку середніх втрат економічної ефективності для аварійних параметрів.

6. Добрыдень В.А., Быстрицкая Л.Б., Любимова Н.А., Смолин Ю.А. Техническая реализация измерения моментов случайных величин с сингулярной компонентой. Зб. тр. II Міжн. н.-т. к. “Метрологія та вимірювальна техніка”. - Харків: 1999. - С. 66-69. Автором розроблена та виконана ілюстративна частина засобу.

7. Болычевцев А.Д., Любимова Н.А. Об одном методе измерения обобщенных показателей промышленных установок. // Автоматика, автоматизация, электротехнические комплексы и системы. - Херсон. - 2000. - № 1. - С. 41-44.

Автором виконаний алгоритм та аналіз переваг вірогіднісного методу виміру узагальнених показників безперервних випадкових процесів.

8. Болычевцев А.Д., Добрыдень В.А., Любимова Н.А. Оценка точности дискретного усреднения технологических параметров агрегатов и оборудования. // Автоматика, автоматизация, электротехнические комплексы и системы. - Херсон: 2000. - № 1(6). - С. 107-112. Автором запропановано використання розкладу функціоналу Немировського в степенний ряд для аналізу точності дискретного усереднення узагальненого показника..

9. Болычевцев А.Д., Быстрицкая Л.Б., Любимова Н.А., Мищенко В.В. Об основополагающих категориях теории контроля. - Зб. тр. Міжн. н.-м. к. “Інженерна освіта на межі століть: традиції, проблеми, перспективи”. - Харків: 2000. - С. 158-159. Автором проаналізовані недоліки відомих методів розрахунку середніх ризиків.

10. Болычевцев А.Д., Добрыдень В.А, Любимова Н.А., Сахацкий В.Д. Оценка качества контроля многопараметрических объектов. - Зб. тр. III Міжн. н.-т. к. “Метрологія в електроніці”. - Харків: 2000. - Т. 2. - С. 128-130. Автором розглянута специфіка контролю багатопараметричних обєктів.

11.Любимова Н.А. Выбор шага опроса контролируемых параметров экологического объекта. // Вестник Харьковского государственного. политехнического университета, 2000. - № 117. - С. 24-26.

12.Любимова Н.А. Дискретное измерение обобщенных показателей. // Вестник Харьковского государств. политехн. университета, 2000. - № 119. - С. 54-56.

13 Болычевцев А.Д., Добрыдень В.А., Любимова Н.А., Смолин Ю.А. Некоторые аспекты моделирования и проектирования систем автоматического контроля. // Вестник ХГПУ - Херсон, 2001. - № 12. - С. 49-53. Автором розглянуті задачі аналізу та синтезу функціонального контролю САК.

14.Болычевцев А.Д., Любимова Н.А., Мацкивский В.И. Особенности обработки получаемой информации о качестве водной среды природных экосистем методами статистического анализа. - Сб. тр. ІХ Межд. н.-т. к. ”Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов”. - Щелкино, АР Крым, Харьков: 2001. - Т. 3. - С. 575-580. Автором запропонована декомпозиція узагальнюючих показників якості при контролі гідроекосистеми в умовах екологічного забруднення.

15.Любимова Н.А. Выбор обобщенных показателей качества гидроэкосистемы и их анализ. // Вестник Національного технічного університету "ХПИ", 2001. - Харків.- № 14. - С. 2-7.

16.Болычевцев О.Д., Любимова Н.О. Про дедуктивний підхід до дослідження контролю. // Вісник Вінницького політехнічн. інстит.- 2001. -Вінниця.- № 3. - С. 130-132. Автором зроблена постановка задачі застосування дедуктивного підхіду до організації та проведенню процедури контролю .

17.Боличевцев О.Д., Смолін Ю.О., Любимова Н.О., Шулик П.В. Локальні ризики виробника і замовника. // Вісник ВПІ, 2001. - Вінниця. - № 5. - С. 44-47. Автором виконана оцінка локальних ризиків у випадку розподілу похибки за законом Коші.

18..Любимова Н.О. Застосування методики розпаралелювання інформаційно-вимірювальних та обчислювальних процесів при підготовці інженерно-педагогічних кадрів // Зб. наук. праць. Української інженерно-педагогічної академії. - , Харків. - 2001. - № 1. - С. 76-79

Размещено на Allbest.ru

...