Моделирование в автоматизированных системах управления экологической безопасностью территории жилой застройки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Моделирование в автоматизированных системах управления экологической безопасностью территории жилой застройки

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)

Иващук Орест Дмитриевич

Орел 2011

Работа выполнена на кафедре «Информационные системы» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» (г. Орел)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Константинов Игорь Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Корсунов Николай Иванович

кандидат технических наук, Мозгов Сергей Сергеевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Защита состоится 19 декабря 2011 года в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.182.09 при ФГБОУ ВПО « Госуниверситет-УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО « Госуниверситет-УНПК».

Автореферат разослан 17 ноября 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просьба отправлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент Клюева Н.В.

Характеристика работы

Актуальность работы. Градостроительство является одной из важнейших сфер экономики современного государства. Однако сегодня создание жилых комплексов в городах России в основном осуществляется в условиях отсутствия общей стратегии социально-экономического развития территории; не проводятся мониторинг и оценка динамики ее экологической безопасности, которая представляет собой систему состояний природных и техногенных объектов в их взаимосвязи, влияющих на здоровье и жизнедеятельность населения. В результате территория жилой застройки (как существующей, так и планируемой для строительства) зачастую оказывается в зонах устойчивой (в пространстве и во времени) неблагоприятной экологической ситуации, когда показатели качества природной среды, обусловленного сочетанием процессов и обстоятельств природного и техногенного характера, не соответствуют нормам. Так, сегодня в городах, где среднегодовые концентрации вредных примесей в атмосфере превышают предельно-допустимые значения, проживает 65 млн. человек (более 45% населения РФ); 60 % населения городов живут в условиях высокого и очень высокого уровня загрязнения воздуха (по данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору).

Эффективное решение проблемы обеспечения приемлемого качества природной среды на территории жилой застройки возможно при создании современных систем управления ее экологической безопасностью, основные требования к которым - адекватность динамике параметров и структуры природных и техногенных объектов, внешней среды; необходимость учета развития социальной среды, характеризуемой параметрами качественной оценки; реализация объективного и оперативного управления. Это неотъемлемо связано с использованием передовых информационных и телекоммуникационных технологий, перспективных методов моделирования и средств автоматизации, т.е. с разработкой адаптивных автоматизированных систем управления (АСУ) экологической безопасностью.

При этом сегодня актуально не только создание АСУ данного класса, но и обеспечение их интеллектуализации, прежде всего, при поддержке принятия управленческих решений, когда процесс формирования альтернативных сценариев управления передается от человека к компьютеру, и он реализуется точнее, быстрее и надежнее. Для этого необходим синтез функционирования АСУ на базе специально разработанных моделей.

Подобные интеллектуальные АСУ экологической безопасностью, разработанные для территорий жилой застройки, должны стать неотъемлемой частью общей интеллектуальной сети «умного города» и способствовать обеспечению высокого уровня качества жизни населения.

Таким образом, процессы моделирования при создании и функционировании АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки, обеспечивающие адаптивность системы и возможность проведения адекватных компьютерных экспериментов, являются сегодня крайне актуальными.

Объектом исследования является процесс автоматизированного управления экологической безопасностью территории жилой застройки.

Предметом исследования являются модели в АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки, методы и алгоритмы оценки и прогнозирования экологической ситуации на территории жилой застройки, а также формирования альтернативных вариантов управления.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является повышение эффективности принимаемых решений при автоматизированном управлении экологической безопасностью территории жилой застройки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ процессов управления экологической безопасностью территории жилой застройки в современных условиях;

- исследование и построение модели объекта управления и модели адаптивной АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки;

- разработка и исследование моделей оценки динамики экологической ситуации, прогнозирования состояния экологической безопасности территории жилой застройки и выбора путей управления;

- программная реализация моделей и моделирование экологической ситуации на конкретной территории жилой застройки, разработка практических рекомендаций по применению моделей и программ.

Методы исследования основываются на системном анализе; теории множеств и математической логике; теории построения АСУ, методах искусственного интеллекта (аппаратах искусственных нейронных сетей и нечеткой логики) и компьютерного моделирования; математической статистике; экспертных оценках; экспериментальных исследованиях.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается соблюдением ГОСТов, применением сертифицированных приборов, лабораторного оборудования и программного обеспечения; воспроизводимостью и согласованностью данных, полученных в ходе имитационных и проверочных натурных экспериментов; положительным внедрением результатов работы на ряде предприятий и организаций, свидетельством о госрегистрации программы для ЭВМ.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в получении новых научных результатов, включающих:

- модели объекта управления и АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки, отличительной особенностью которых является многокомпонентное представление объекта управления, реализация внутренних контуров управления для обеспечения адаптивности системы, интеллектуализация обработки исходной информации в системе мониторинга;

- модель оценки динамики экологической ситуации на территории жилой застройки, в основе которой лежит применение лингвистического подхода и аппарата нечеткой логики при формировании первичных и синтезе новых знаний; нейросетевые модели оценки и прогнозирования качества отдельных компонентов природной среды и выбора управляющих воздействий;

- алгоритм формирования рекомендаций для управляющей системы при функционировании АСУ, отличительной особенностью которого является применение реализаций построенных моделей оценки, прогнозирования и выбора управляющих воздействий.

Практическая значимость работы заключается

- в программной реализации построенных моделей оценки, прогнозирования и выбора управляющих воздействий (программный комплекс зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам);

- в практических рекомендациях по применению разработанных программ и алгоритмов в АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки Орловского региона;

- в результатах экомониторинга и модельного прогнозирования экологической ситуации на территории жилой застройки г. Орла и г. Мценска, их научном анализе.

Результаты внедрения. Результаты диссертационной работы в виде разработанных моделей, алгоритмов и рекомендаций внедрены в строительных организациях ООО «Стройинвест» и ЗАО «Холикон-Инвест» (г. Орел) для оценки динамики экологической ситуации на территории жилой застройки, рационального выбора территории для строительства жилых объектов; в строительно-монтажной организации ООО «Бриз» (г. Орел) для оценки экологической ситуации на территории жилой застройки, прилегающей к производственным объектам; в ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» и ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет» для использования в учебном процессе, научно-исследовательской работе студентов, магистрантов и аспирантов.

На защиту выносятся:

- модель объекта управления и модель адаптивной АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки;

- модель оценки динамики экологической ситуации на территории жилой застройки;

- модели оценки и прогнозирования качества отдельных компонентов природной среды на территории жилой застройки, модели формирования управляющих воздействий;

- алгоритм формирования рекомендаций;

- практические результаты применения предложенного подхода в различных организациях Орловского региона.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения: «АПИР-15» (Тула, 2010 г.), VIII Всероссийской научно-технической конференции «Искусственный интеллект в ХХI веке» (2010 г., Пенза), Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие - новый мир» (Москва, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки» (Тамбов, 2011 г.), Международной научно-практической интернет - конференции «Информационные системы и технологии» (Орел, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Развитие информационных технологий и их значение для модернизации социально-экономической системы» (Саратов, 2011 г.), V Международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве» (Протвино, 2011 г.), 2-ой Международной научно-технической конференции «Компьютерные науки и технологии» (Белгород, 2011 г.), а также на научных семинарах и конференциях профессорско-преподавательского состава Госуниверситета-УНПК.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации трудов на соискание ученых степеней. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Содержание работы изложено на 132 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 7 таблиц, список литературных источников из 129 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ формирования экологической ситуации на территории жилой застройки в современных условиях; анализ использования автоматизации при управлении экологической безопасностью, подходов к интеллектуализации поддержки принятия решений и к моделированию экологической ситуации; формулируются задачи дальнейшего исследования.

В последние годы строительство жилых домов (в т. ч. жилых комплексов с развитой инфраструктурой) в регионах России характеризуется высокими темпами роста, пример Орловской обл. на рисунках 1, 2. При этом результаты научных исследований ученых, госстатистика о социально-экономическом развитии страны, собственные эксперименты, проведенные в г. Орле, показывают: значительная часть территории жилой застройки находится в зоне мощного негативного техногенного воздействия. Это определяет необходимость реализации эффективных мероприятий по регулированию экологической ситуации на данной территории (как существующей, так и планируемой для строительства).

Рис. 1 - Число действующих строительных организаций в Орловской обл.

Рис. 2 - Ввод в действие жилых домов. в Орловской обл.

Основные подходы к строительству и развитию городов с функциями, удовлетворяющими рациональным потребностям человека и требованиям устойчивого развития, представлены в работах В.В. Владимирова, В.А. Ильичева, В.И. Колчунова, В.И. Осипова, В.И. Теличенко и др. ученых. Среди исследований по применению автоматизации в области управления экологической безопасностью территорий следует отметить работы В.Н. Денисова, В.К. Донченко, С.Ю. Ксандопуло, В.М. Панарина, В.В. Растоскуева, Э.М. Соколова. В работах О.А. Иващук, И.С. Константинова представлен общий методологический подход к построению адаптивных АСУ экологической безопасностью промышленно-транспортного комплекса.

Однако до настоящего времени не разработаны АСУ экологической безопасностью для территорий жилой застройки; отсутствуют модели оценки динамики экологической ситуации, обеспечивающие интеллектуализацию поддержки принятия решений в АСУ и, как следствие, повышение эффективности управления экологической безопасностью. Для решения данной научной задачи сформулированы направления дальнейшего исследования.

Вторая глава посвящена исследованию и построению модели объекта управления и модели адаптивной АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки.

В данной работе экологическая безопасность территории жилой застройки как объект управления АСУ представлена многокомпонентной системой состояний природных, социальных и техногенных объектов, влияющих на здоровье и жизнедеятельность населения. Она формально описывается как

У_ОУ = < W_ОУ, Q, R, F_ОУ, О_ОУ >, (1)

где W_ОУ={w_ОУ} - множество компонентов объекта управления;Q={q} - внешние воздействия на W_ОУ; R={r} - множество состояний элементов W_ОУ; F_ОУ={f_ОУ} - отображения на W_ОУ, Q и R, при этом F_ОУ: (W_ОУ, Q, R) > R; O_ОУ={o_ОУ} - отношения над элементами W_ОУ, Q и R, при этом O_ОУ: (,Q^j,R^h).

Определены основные составляющие W_ОУ: природная система (ПС) - множество компонентов природной среды на территории жилой застройки (атмосфера, акустическая среда, водные, почвенные ресурсы и др.), подвергающихся негативному воздействию и влияющих на качество жизни населения; техническая система (ТС) - множество техногенных объектов, воздействующих на природную среду; социальная система (СС) - множество элементов социума (человеческий фактор), влияющих на динамику экологической ситуации. Данные компоненты объекта управления в результате их взаимодействия определяют состояние экологической безопасности территории жилой застройки. При этом реализация конкретных управляющих воздействий, влияющих на динамику экологической ситуации, связана с изменением параметров ТС и СС.

Итак, объект управления АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки - сложная динамичная природно-социо-техническая система.

Множество Q включает управляющие U и внешние щ воздействия: Q={U, щ}; щ = {щ_ПС, щ_ТС, щ_СС}, где щ_ПС, щ_ТС, щ_СС - воздействия внешней среды на ПС, ТС и СС соответственно; щ Щ, где Щ - внешние воздействия на АСУ. U={U_ТС, U_СС}, где U_ТС - управляющие воздействия на ТС, а U_СС - на СС.

Множество состояний R включает два основных подмножества: R = {Х, Z}, где Х характеризует состояние ПС (концентрации загрязнений, уровень физических воздействий и т.п.), а Z - состояние подсистем, которые влияют на ПС и на которые оказываются управляющие воздействия: Z = {Z_ТС, Z_СС}, где Z_ТС и Z_СС - множества состояний ТС и СС (технические и технологические параметры, объемы и качество продукции и услуг и др.). Они формируются отображениями F_ОУ={,,}, где : Z_ТС Z_СС щ_ПС > Х реализуется ПС; : щ_ТС x_ТС z_ТС U_ТС > Z_ТС - ТС,: щ_СС x_СС z_СС U_СС > Z_СС - СС.

Цель управления экологической безопасностью территории жилой застройки в АСУ - минимизация (в результате реализации управляющих воздействий U как вариации параметров Z с учетом внешних условий щ) негативного техногенного воздействия на природную среду данной территории, что связано с минимизацией разности ДХ между фактическим Х и целевым Х₀ состояниями ПС: ДХ> 0. При этом состояние ТС и СС должно соответствовать необходимому уровню развития экономики и социокультурного пространства региона. Тогда задача оптимального управления формулируется следующим образом:

J(Х,U,щ) = J_ПС(Х, Z_ТС, Z_СС, щ_ПС) + J_ТСС(U, Z, щ, x, z) > min (2)

Z_ТСD_ТС, Z_ССD_CС;

где J - критерий оптимальности состояния объекта управления, J_ПС - природной системы, а J_ТСС - технической и социальной систем; x - влияние ПС на состояние ТС и СС; z - взаимовлияние ТС и СС (zZ, xX); D_ТС - область допустимых состояний для ТС, определяемая потребностями экономики региона; D_CС - область допустимых состояний для СС, определяемая потребностями и приоритетами населения, особенностями социокультурного пространства региона.

Определены следующие функции адаптивной АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки, в которой реализуется интеллектуализация поддержки принятия решений: проведение интеллектуального мониторинга; автоматизированное накопление, обработка и хранение данных; автоматизированное формирование альтернативных сценариев управления; выработка и реализация рациональных управляющих воздействий; обмен информацией подсистем АСУ между собой и с внешней средой.

В составе АСУ выделены следующие основные подсистемы: объект управления, описанный выше как сложная динамичная природно-социо-техническая система; управляющая система; исполнительная система, реализующая конкретные управляющие воздействия U; система интеллектуального мониторинга, объединяющая контрольно-измерительный блок (сбор информации Х, Z, Щ) и блок оценки экологической ситуации (модельная оценка текущей экологической ситуации и ее предварительный анализ); интеллектуальная система поддержки принятия решений (ИСППР). На уровне ИСППР не только происходит обработка собранной информации в форму, пригодную для поддержки принятия решений, но и формируются сценарии управления, а также сигналы, являющиеся управляющими для других подсистем АСУ.

Модель адаптивной АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки, включающая модель объекта управления и модели процессов управления, схематично показана на рисунке 3, где щ_изм., щ_УС, щ_ИС Щ - множества внешних воздействий на контрольно-измерительный блок, управляющую и исполнительную системы соответственно; Y - результат сбора информации; Х' - результат оценки текущей экологической ситуации, определяющей состояние экологической безопасности; m - альтернативные сценарии управления; г - координирующие сигналы, соответствующие управленческим решениям; г', г''- результаты выбора, реализации и контроля конкретных управляющих воздействий; н и л - формируемые в ИСППР модели оценки и корректировки, необходимые для организации интеллектуального мониторинга и обеспечения адаптации системы мониторинга к конкретным условиям.

Рис. 3 - Схематичное представление модели АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки.

Отличительной особенностью предложенной модели АСУ является многокомпонентное представление объекта управления с учетом состояния социальной сферы, интеллектуализация обработки исходной информации в системе мониторинга. Кроме того, в данной модели введены внутренние контуры управления для обеспечения адаптивности системы, в каждом из которых субъектом управления выступает ИСППР, а объектом - другая подсистема АСУ, например, управляющая система (m - управляющий сигнал) или система интеллектуального экомониторинга (л, н - составляющие управляющего сигнала).

В третьей главе разработана модель оценки динамики экологической ситуации на территории жилой застройки, а также модели оценки и прогнозирования качества отдельных компонентов природной среды, формирования управляющих воздействий.

Экологическая ситуация на территории жилой застройки характеризуется совокупным состоянием качества различных компонентов природной среды, которые оказывают влияние на здоровье и жизнедеятельность населения. При построении ее модели в данной работе используется понятие лингвистической переменной (для формирования характеристики) и аппарат нечеткой логики (для синтеза знаний о состоянии отдельных компонентов природной среды).

Введена лингвистическая переменная

ES = <S,T,В,R,H>, (3)

где S = «экологическая ситуация на территории жилой застройки»; Т - терм-множество переменной S, областью определения которого является числовое множество В; R - синтаксические правила, порождающие название терма; H - семантические правила. Т = {Т₁, Т₂, Т₃, Т₄, Т₅}, где термы:

- Т₁ = «нормальная» - показатели качества всех компонентов природной среды соответствуют нормативам для данной территории;

- Т₂ = «относительно опасная» - загрязнение отдельных компонентов природной среды превышает допустимый уровень, но отклонения от норм не являются устойчивыми (в пространстве и во времени);

- Т₃ = «опасная» - загрязнение каждого из компонентов природной среды превышает допустимый уровень, но без образования устойчивых экологически опасных зон, или загрязнение только отдельных компонентов превышает допустимый уровень, но отклонение от нормы является значительным и способствует образованию устойчивых экологически опасных зон; застройка программный моделирование

- Т₄ = «очень опасная» - характеристики качества всех компонентов природной среды не соответствуют нормам, при этом отклонения для некоторых из них являются значительными и способствуют образованию устойчивых экологически опасных зон;

- Т₅ = «критическая» - загрязнение всех компонентов природной среды значительно превышает допустимый уровень с образованием устойчивых экологически опасных зон.

Термы Т₂, Т₃, Т₄, Т₅ характеризуют неблагоприятную экологическую ситуацию.

Целесообразно использование составной лингвистической переменной ES=(S₁,S₂,…, S_J), где S_jES («уровень загрязнения воздушного бассейна», «уровень загрязнения воды», «скопление отходов» и др.), j=1,…,J. При этом, процесс классификации экологической ситуации проходит как анализ взаимодействия ряда частей, включенных в ES, а результат является синтезированным. Для его реализации строится набор условных правил логического вывода:

если (S₁ = ) и (S ₂ = ) и … и (S _J =)

или (S ₁ = ) и (S ₂ = ) и … и (S _J =)

…

или (S ₁ = ) и (S ₂ = ) и … и (S _J =) (4)

…

или (S ₁ = ) и (S ₂ = ) и … и (S _J =)

то у = с_i,

где - нечеткий терм оценки S_j в правиле n (n = 1,…,N); y = (c₁,…,c_I) - значения вывода; i = 1,…, I. При построении функций принадлежности используются знания и опыт экспертов, данные статистики и мониторинга. Синтез знаний о состоянии компонентов природной среды заложен в принципах проведения нечеткой импликации на этапах формирования общего логического вывода.

Для разработки моделей оценки и прогнозирования качества отдельных компонентов природной среды на территории жилой застройки, а также моделей выбора управляющих воздействий (как вариации параметров техногенных и социальных объектов) использован аппарат искусственных нейронных сетей.

В четвертой главе продемонстрировано применение разработанного теоретического аппарата для построения и использования моделей экологической ситуации и их программной реализации в АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки в конкретном регионе (территория г. Орла).

В период 2004/11 гг. проводился экомониторинг на территории жилой застройки г. Орла. Его результаты показали: приоритетная роль в формировании неблагоприятной экологической ситуации на данной территории принадлежит загрязнению воздушного бассейна (химическое загрязнение атмосферы и физическое шумовое воздействие); основным источником негативного техногенного воздействия является автотранспорт: его доля в выбросах загрязнений в атмосферу - более 88 %, в негативном шумовом влиянии - более 80%; в зоне с превышением предельно-допустимой концентрации средне суточной (ПДК_СС) загрязнений в атмосфере находится более 35 % территории жилой застройки (в сухую безветренную погоду - до 80 %); акустическая среда на 60 % территории в зоне влияния автодорог является дискомфортной (более 20 % - в зоне устойчивого акустического дискомфорта, не пропадающей в течение суток).

Разработана модель для характеристики экологической ситуации на территории жилой застройки по состоянию воздушного бассейна, а именно по совокупному состоянию атмосферного воздуха и акустической среды. Экологическую ситуацию описывает составная лингвистическая переменная ES=(S₁,S₂), где S₁ = «уровень загрязнения атмосферного воздуха»; S₂ = «уровень загрязнения акустической среды». Термы в данной модели (см. (4)): а₁₁ = а₂₁ = «пониженный», а₁₂ = а₂₂ = «повышенный», а₁₃ = а₂₃ = «значительный». Выход - характеристика сложившейся/прогнозируемой на территории жилой застройки экологической ситуации - функция y = «экологическая ситуация». Для формирования выхода ES сконструирован набор из 9-ти логических правил, используется алгоритм нечеткого вывода Сугено 0-го порядка, экологическая ситуация характеризуется по условной 5-ти балльной шкале (в соответствии с характеристикой термов Т).

Показателем уровня химического загрязнения воздушного бассейна на территории жилой застройки определена сумма отношений фактических (или спрогнозированных) концентраций оксида углерода (СО), диоксида азота (NO₂) и диоксида серы (SO₂), обладающих эффектом суммации, к их ПДК максимально разовым (ПДК_м.р.) в атмосфере населенных пунктов (значение b₁ на множестве B₁). При оценке уровня среднегодового загрязнения атмосферного воздуха используются средневзвешенные значения концентраций, вычисленные с учетом «розы ветров» для данной территории.

Показателем уровня физического загрязнения воздушного бассейна определено значение эквивалентного уровня шума (b₂ на множестве B₂).

Выявление области определения каждого терма и построение функций принадлежности (i,j =1,2,3) для переменных S₁ и S₂ производилось на основе анализа данных экомониторинга с использованием утвержденных в РФ нормативов для выбранных показателей качества воздушного бассейна. Например, в качестве определена трапециевидная функция принадлежности:

1, если 2 ? b₁ ? 4;

(b₁ - 0,8)/(2 - 0,8), если 0,8 ? b₁ ? 2;

(5 - b₁)/(5 - 4), если 4 ? b₁ ? 5;

0, в остальных случаях.

Интервал 2ч4ПДК_м.р. полностью соответствует значению индекса СИ = 2ч4, характеризующему повышенный уровень загрязнения (СИ - наибольшая измеренная разовая концентрация примеси, деленная на ПДК_м.р.); значение 0,8ПДК_м.р. соответствует наибольшему значению концентрации загрязнений в приземном слое атмосферы жилой застройки.

В качестве определена треугольная функция принадлежности:

(75-b₂)/(75-60), если 60 ? b₂ ? 75;

(80 - b₂)/(80 - 75), если 75 ? b₂ ? 80;

0, в остальных случаях.

Уровень шумового воздействия не более 75 дБА соответствует требованиям для территории тротуара и (по данным мониторинга) максимальным уровням звука в жилых помещениях (не более 55 дБА). При 75ч80 дБА наблюдается превышение граничного значения на территории тротуара и допустимого уровня для жилых помещений, но соблюдаются требования по максимальным уровням звука в жилых помещениях; до 60 дБА соблюдаются нормы для территорий с жилой застройкой и детских площадок.

Для оценки и прогноза показателей качества отдельных компонентов воздушного бассейна и выбора управляющих воздействий построены нейросетевые модели.

Для программной реализации разработанных моделей использована система компьютерной математики MATLAB. Создан программный комплекс (на который получено свидетельство о госрегистрации) «Оценка и прогнозирование уровня экологической ситуации на территории жилой застройки» (включающий 5 программ) для проведения компьютерных экспериментов:

- по оценке и прогнозированию концентрации СО, NO₂, SO₂ в атмосфере (ИНС_АТМОСФЕРА) и эквивалентного уровня шума (ИНС_ШУМ) на жилых территориях в зависимости от фона, параметров транспортного потока на прилегающих автодорогах, расстояния до них, озеленения, плотности и высотности застройки, скорости и направления ветра;

- по оценке экологической ситуации по состоянию воздушного бассейна (ЭС);

- по выбору управляющих воздействий как изменения озеленения территории, расстояния от планируемого жилого комплекса (дома) до автодороги, плотности застройки (ИНС_ИНФРАСТРУКТУРА), параметров транспортного потока на прилегающей к жилому комплексу автодороге (ИНС_АВТОДОРОГА).

На рисунке 4 представлен алгоритм формирования рекомендаций для управляющей системы при функционировании АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки в конкретном регионе, где

- ,,- концентрации СО, NO₂, SO₂, мг/м³;

- - эквивалентный уровень шума, дБА;

- N, N_л., N_гр., N_авт. - интенсивности потоков транспорта, легковых, грузовых автомобилей, автобусов, авт./ч;

- Q_г.авт. - доля в потоке грузовых автомобилей и автобусов, %;

- V - скорость потока, км/ч;

- l' и l - ширина улицы и проезжей части, м;

- Н - высотность застройки (85 % обеспечения), м;

- k_з. - плотность застройки, %,

- l' - расстояние от границы жилой застройки до автодороги, м;

- k_оз. - коэффициент озеленения, ед./100 м.

Для визуализации данных мониторинга и компьютерных экспериментов создан банк электронных карт «Экологическая ситуация на территории жилой застройки г. Орла», на рисунках 5 и 6 показаны его фрагменты (оценка среднегодового состояния и прогноз на летний период).

Рис. 4 - Алгоритм формирования рекомендаций для управляющей системы при функционировании АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки.

Характеристика экологической ситуации	Нормальная	Относительно опасная	Опасная	Очень опасная	Критическая
Цвет

Рис. 5 - Вид электронной карты «Экологическая ситуация (среднегодовая) на территории жилой застройки г. Орла».

Характеристика экологической ситуации	Нормальная	Относительно опасная	Опасная	Очень опасная	Критическая
Цвет

Рис. 6 - Вид электронной карты «Прогноз экологической ситуации на территории жилой застройки г. Орла (на июль 2011г., ветер 1 м/сек, направление - Ю)».

Основные результаты и выводы

1. Анализ формирования экологической ситуации в городах России показал, что территория жилой застройки часто находится в зоне мощного негативного техногенного воздействия. При высоких темпах строительства практически не проводится оценка качества природной и социальной сферы, отсутствуют эффективные сценарии управления экологической безопасностью.

2. В ходе исследования была предложена модель АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки. Она разработана на основе обобщенной модели АСУ экологической безопасностью промышленно-транспортного комплекса, в которую внесены следующие существенные изменения:

- многокомпонентное представление объекта управления, учитывающее особенность жилой застройки, связанную с существенным влиянием развития социальной сферы, характеризуемой параметрами качественной оценки;

- вынесение блоков принятия управленческих решений и реализации управляющих воздействий в отдельные составляющие АСУ, введение внутренних контуров управления реализующих адаптивность системы;

- интеллектуализация системы мониторинга за счет введения блока, реализующего оценку экологической ситуации на основе специально разработанных моделей и программ.

3. Для обеспечения эффективного функционирования АСУ на основе предложенной модели разработаны математические модели оценки и прогнозирования экологической ситуации в целом и качества отдельных компонентов природной среды, а также модели выбора управляющих воздействий.

4. Предложен вариант программной реализации разработанных моделей на основе системы компьютерной математики МАТLAB.

5. Для визуализации данных мониторинга и компьютерных экспериментов создан электронный атлас «Экологическая ситуация на территории жилой застройки г. Орла», позволяющий проводить прогнозный пространственный анализ динамики экологической ситуации на территории жилой застройки (существующей и планируемой для строительства).

6. Предложен алгоритм формирования рекомендаций для управляющей системы при функционировании АСУ экологической безопасностью на конкретной территории жилой застройки, включающий в себя различные формы сценариев развития экологической ситуации.

7. Проведено моделирование экологической ситуации на конкретной территории г. Орла и г. Мценска, по результатам которого сформированы сценарии управления, позволившие получить следующий эффект:

- установка шумопоглощающего покрытия (ООО «Бриз») указанной плотности и толщины снизило уровень шума на прилегающих к ледовому катку г. Мценск на 15-20 дБА, что обеспечило отсутствие жалоб со стороны населения;

- рекомендованы безопасные по состоянию воздушного бассейна (в соответствии с ПДК_м.р. загрязнений в атмосфере и ПДУ шума на селитебных территориях) расстояния от жилых домов, прилегающих детских площадок и зон для отдыха до ближайших автодорог, а также уровень их озеленения при строительстве жилых комплексов по улицам Матросова, Бурова, Поликарпова (ООО « Стройинвест»), по улице 60 лет Октября ( ЗАО «Холикон-Инвест»);

- выработаны различные варианты управляющих воздействий (изменение параметров транспортного потока, озеленение тротуаров, альтернативное изменение инфраструктуры территории) для существующей территории жилой застройки г. Орла, находящейся в зоне неблагоприятной экологической ситуации, которые позволят снизить уровень загрязнения воздушного бассейна до предельных значений.

Публикации по теме диссертации

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Константинов, И.С. Особенности построения и интеллектуализация системы экомониторинга в составе автоматизированной системы управления экологической безопасностью Текст/ И.С. Константинов, О.Д. Иващук // Информационные системы и технологии. - 2010. - № 6(62) ноябрь-декабрь. - С. 113-118.

2. Иващук, О.Д. Моделирование экологической ситуации в автоматизированной системе управления экологической безопасностью Текст/ О.Д. Иващук // Информационные системы и технологии.- 2011. - № 4(66) июль-август. - С. 57-62.

3. Иващук, О.Д. Управление экологической ситуацией на территории жилой застройки на основе моделирования. Текст/ О.Д. Иващук // Строительство и реконструкция. - 2011. - №3 (35) май-июнь. - С. 30 - 39.

4. Иващук, О.Д. Интеллектуализация автоматизированных систем управления экологической безопасностью территорий жилой застройки. Текст/ О.Д. Иващук // Информационные системы и технологии.- 2011. - № 6(68) ноябрь-декабрь. - С. 43-49.

Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ

5. Иващук, О.Д. Оценка и прогнозирование уровня загрязнения воздушного бассейна на территории жилой застройки // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011618854. Зарегистрир. в реестре программ для ЭВМ 14 ноября 2011 года.

Публикации в сборниках научных трудов и материалов конференций

6. Иващук, О.Д. Экомониторинг при автоматизированном управлении экологической безопасностью промышленных объектов. Текст/ О.Д. Иващук // Вестник Тульского государственного университета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Материалы Междунар. научно-техн. конф. «АПИР-15», 10-12 ноября 2010 г.; под ред. В.В. Прейса, Е.В. Давыдовой. В 2-х частях. Ч.2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 188-193.

7. Иващук, О.А. Система экомониторинга в составе АСУ и реализация электронных услуг Текст/ О.А. Иващук, И.С. Константинов, О.Д. Иващук // III тысячелетие - новый мир: Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования, г. Москва, 7-10 декабря 2010 / под ред. В.А. Малинникова, В.В Вишневского. - М.: Академия наук о Земле, 2010. - C. 112-114.

8. Иващук, О.Д. Методика построения автоматизированных систем управления экологической безопасностью на территориях с жилой застройкой. Текст/ О.Д. Иващук // Развитие информационных технологий и их значение для модернизации социально-экономической системы: материалы международной научно-практической конференции (12 мая 2011 г.). Саратов: Изд-во ЦПМ «Академия бизнеса», 2011.- С. 87-91.

9. Иващук, О.Д. Подходы к оценке экологической ситуации в автоматизированных системах управления. Текст/ О.Д. Иващук // Актуальные проблемы науки: сб. научн. тр. по материал. Международной научн. - практ. конферен. (30 мая 2011 г.), Ч. 4; Мин. обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. - С. 61-62.

10. Иващук, О.Д. Модели экологической ситуации в автоматизированной системе управления экологической безопасностью на территории жилой застройки. Текст/ О.Д. Иващук // Информационные системы и технологии: сб. научн. тр. по материал. Международной научн. - практ. интернет-конферен. (апрель-май 2011 г.), Т. 3 /под общ. ред. проф. И.С. Константинова. Орел: ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2011. - С. 57 - 60.

11. Иващук, О.Д. Модель интегральной оценки экологической ситуации в автоматизированных системах управления экологической безопасностью. Текст/ О.Д. Иващук // Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве: сб. трудов V международной научно-практ. конференции (4-8 июля 2011 г.), в 2-х частях. - Ч. 2./ под. ред. Ю.А. Романенко, Е.В. Ломановой. Протвино: Управление образования и науки, 2011. - С. 96-97.



Подписано в печать 16.11.2011 г.

Формат 60х90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Усл. печ. л. 1,2. Заказ 118. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве Орел ГАУ,2011, Орел, Бульвар Победы, 19.

Размещено на Allbest.ru

...