Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Військовий інститут

УДК 512.43

Спеціальність 05.13.06 - інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ІНФОРМАТИЗАЦІЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ НА ОБ'ЄКТАХ ВІЙСЬКОВОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Шмиголь Валентин Миколайович

Київ-2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Військовому інституті Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Сбітнєв Анатолій Іванович, Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, провідний науковий співробітник науково-дослідного центру.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Лисенко Олександр Іванович, Інститут телекомунікаційних систем Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри засобів телекомунікацій;

- кандидат технічних наук, с.н.с. Рома Олександр Миколайович, Національний університет оборони України, начальник відділу центру імітаційного моделювання Інституту інформаційних технологій.

Захист відбудеться " 11 " червня 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.40 Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, Київ-680, просп. Глушкова, 2, корп. 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська, 58, зал 12.

Автореферат розісланий "______" _____________ 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.О. Пашков

Анотації

Шмиголь В.М. Інформатизація екологічної діяльності на об'єктах військового призначення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - Інформаційні технології. Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, 2010.

Дисертація присвячена питанням інформатизації екологічної діяльності в Збройних Силах України з метою підвищення ефективності цієї діяльності.

У роботі сформульовані та вирішені задачі аналізу особливостей управління екологічною діяльністю військ та застосування сучасних інформаційних технологій; розроблення концептуальної моделі бази даних; розроблення нових методів й алгоритмів прогнозування концентрацій шкідливих речовин, що містяться у викидах; розроблення інформаційної технології обрахунку результатів екологічного спостереження за станом навколишнього середовища на базі табличного процесора Ms Excel; експериментального дослідження застосування інформаційної технології на реальному військовому підприємстві.

Ключові слова: шкідливі речовини, база даних системи управління станом навколишнього середовища, інформаційна технологія моніторингу.

Шмыголь В.М. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - Информационные технологии. Военный институт Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, 2010.

Диссертация посвящена вопросам информатизации экологической деятельности в Вооруженных Силах Украины с целью повышения ее эффективности, выражением чего выступает улучшение экологического состояния окружающей среды на объектах военного назначения за счет управления их функционированием. Изучено и внедрено опыт вооруженых сил иностранных государств при систематизации правил действий военнослужащих в области экологической безопасности.

Усовершенствован порядок сбора и обработки информації путем автоматизации систем управления состоянием окружающей среды на базе современных ЭВМ, разработана система управления базами данных.

Обобщены методологические основы построения единой ведомственной системы экологического мониторинга (СЭМ) на объектах военного назначения и подходы к её информатизации. На основе применения системного подхода предложена иерархическая структура ведомственной СЭМ, определены её задачи и проведено распределение информационного поля данных мониторинга, что повысило оперативность системы управления экологической безопасностью.

Для решения задач, связанных с разработкой системы экологического мониторинга, в дисертации широко используются принципы, методы и средства системного анализа, общей теории систем, аналитического моделирования, математического программирования, теории разложений, теории вероятностей, методы искусственного интеллекта.

В работе сформулированы и решены задачи анализа особенностей управления экологической деятельностью войск и применения современных информационных технологий;

анализа подходов к проектированию систем управления состоянием окружающей среды (СУСОС) и управления их функционированием;

уточнение структуры и функций СУСОС и СЭМ; выбора средств обработки информации в СУСОС и СЭМ;

разработки концептуальной модели базы данных;

разработки новых методов и алгоритмов прогнозирования концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, которые содержатся в выбросах;

разработки информационной технологии расчета результатов экологического наблюдения по состоянию окружающей среды на базе табличного процессора Ms Excel;

экспериментального исследования применения информационной технологии на реальном военном предприятии.

Ключевые слова: защита окружающей среды, мониторинг загрязнения окружающей среды, прогнозирование концентрации вредных веществ, база данных системы управления состоянием окружающей среды, информационная технология мониторинга.

Shmygol V.M.. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of candidate engineering sciences on speciality 05.13.06. - Information Technologies. The Kiev National Taras Shevchenko University, Military Institute, Kyiv, 2010.

Dissertation is devoted to the questions of informatization of ecological activity in Military Powers of Ukraine with the purpose of increase of its efficiency, by expression what an improvement of the ecological state of environment is on the objects of military-oriented due to a management their functioning. In-process formulated and decided tasks of analysis of features of management ecological activity of troops and application of modern information technologies; analysis of going near planning by the environment state control system (ESCS) and management their functioning; clarification of structure and functions of ESCS and systems of the ecological monitoring (SEM); choice of facilities of treatment of information in ESCS and SEM; development of conceptual DB model; developments of new methods and algorithms of prognostication of concentrations are in atmospheric air of harmful matters which are contained in extrass; developments of information technology of shortchanging of results of ecological supervision on the environment state on the base of tabular processor of Ms Excel; experimental research of application of information technology on the real military enterprise.

Keywords: defence of environment, monitoring of contamination of environment, prognostication of concentration of harmful matters, database of control system by the state of environment, information technology of monitoring.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Екологічна безпека сьогодні стає одним з невід'ємних елементів національної безпеки. До цього привів нинішній стан навколишнього середовища в Україні, яке стало одним із безпосередніх джерел загрози життю й здоров'ю громадян України. Реалізація національних екологічних програм поставила в порядок денний питання про участь у них Збройних Сил України (ЗСУ).

Наказом Міністра оборони України №171 1995р. "Про заходи щодо організації екологічного забезпечення Збройних Сил України" введений у дію новий вид забезпечення військ (сил) - екологічне забезпечення, визначені основні задачі та відповідальність посадових осіб за його організацію.

Сучасний характер екологічної обстановки, у якій приймаються рішення із екологічного забезпечення військ, вимагає від командуючих (начальників) переробки величезного обсягу інформації, рішення складних задач і проведення об'ємних обчислювальних дій в умовах дефіциту часу. Виконання цих завдань не можливе без інформатизації екологічної діяльності в ЗСУ, тобто без застосування сучасних інформаційних технологій, включаючи використання бази даних (БД), автоматизацію моніторингу й т.ін.

Реально якість прийнятого рішення залежить від якості прогнозування, в т.ч. від його точності. Підвищення точності прогнозу у свою чергу залежить від властивостей об'єктів. Аналіз стану прогнозування визначає необхідність урахування в першу чергу інерційності й нелінійності досліджуваних процесів.

Таким чином, вирішення наукової задачі сутність якої полягає у використанні сучасних інформаційних технологій для підвищення якості екологічної діяльності у ЗСУ є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана в рамках передбаченої державним замовленням НДР "Прогноз" РК № 0101U000951, яка виконувалась у науково-дослідному центрі Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка при управлінні виконанням роботи командуванням відділу екології військ РХБ захисту Збройних сил Центрального управління РХБ захисту Головного управління оперативного забезпечення Командування сил підтримки Збройних Сил України. Особисто автором розроблена концептуальна модель БД для прогнозування екологічного стану навколишнього середовища в місцях розташування військових об'єктів.

Мета і завдання дослідження.

Метою роботи є підвищення ефективності процесів екологічної діяльності військовослужбовців, що виражається в покращенні екологічного стану навколишнього середовища на об'єктах військового призначення, за рахунок управління їх функціонуванням.

Задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

1) аналіз особливостей управління екологічною діяльністю військ та застосування сучасних інформаційних технологій;

2) аналіз підходів до проектування систем управління станом навколишнього середовища (СУСНС) і її основної підсистеми - системи екологічного моніторингу (СЕМ) та управління їх функціонуванням;

3) уточнення структури й функцій СУСНС й СЕМ;

4) вибір засобів оброблення інформації в СУСНС і СЕМ;

5) розроблення концептуальної моделі БД;

6) розроблення нових методів й алгоритмів прогнозування концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин, що містяться у викидах;

7) розроблення інформаційної технології обрахунку результатів екологічного спостереження за станом навколишнього середовища (НС) на базі табличного процесора Ms Excel;

8) експериментальне дослідження застосування інформаційної технології на реальному військовому підприємстві.

Об'єкт дослідження - екологічний стан навколишнього середовища на об'єктах військового призначення (НСОВП).

Предмет дослідження - застосування інформаційних технологій для автоматизації моніторингу екологічного стану НСОВП.

Методи дослідження: Методи теорії системного аналізу - при аналізі використання методів і засобів моніторингу НСОВП. Методи теорії функцій і функціонального аналізу, теорії динамічних систем, теорії статистичного оброблення інформації - при виборі методів прогнозування стану НСОВП. Методи комп'ютеризації - при виборі типу та структури бази даних для моніторингу стану НСОВП.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблена концептуальна й інфологічна моделі бази даних СЕМ, що наблизило її до вимог міжнародних стандартів й дозволило урахувати вимоги сучасних інформаційних технологій оперативної обробки даних.

2. Удосконалений метод прогнозування сумарних максимальних приземних концентрації для забруднюючих речовин, який відрізняється від відомих урахуванням інерційних властивостей середовища й нелінійністю зв'язків, що дозволяє підвищити точність прогнозування.

3. Створена інформаційна технологія обрахунку результатів спостереження на базі табличного процесора Ms Excel, що дозволило підвищити рівень автоматизації моніторингу стану навколишнього середовища на об'єктах військового призначення.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати можуть бути використані в повсякденній практиці при екологічному моніторингу наколишнього середовища об'єктів військового призначення НС ОВП.

Практичне значення роботи полягає у можливості використати пропоновані структури БД й інформаційні технології оброблення інформації для моніторингу НС ОВП, що забезпечує своєчасну реакцію на можливі забруднення НС.

Технологія автоматизованого прогнозування для моніторингу НС підтверджена актом практичного застосування на державному підприємстві "Житомирський ремонтно-механічний завод" й у ВАТ " Меридіан". Подальше впровадження матеріалів дисертації у практику вирішення завдань, спрямованих на охорону навколишнього середовища в місцях розташування військових об'єктів, підтверджене актом впровадження від начальника військ РХБ захисту Збройних сил - начальника Центрального управління РХБ захисту Головного управління оперативного забезпечення Командування сил підтримки Збройних Сил України.

Особистий внесок здобувача. Зі спільних публікацій особисто здобувачеві належать: у [1] - пропозиція використання багатомірних кубів даних для моніторингу екологічного стану навколишнього середовища на військових об'єктах; у [2] - вибір моделі прогнозування для моніторингу; у [3] - рекурентні співвідношення для уточнення коефіцієнтів моделей прогнозування; у [4] - аналіз впливу військової діяльності на стан навколишнього середовища; у [5] - аналіз методів очищення води на військових об'єктах; у [6] - впровадження екологічного моніторингу на ЖРМЗ; у [7] - інформаційна технологія оброблення даних моніторингу навколишнього середовища на об'єкті військового призначення; у [8] - ідея використання методу групового урахування аргументів для визначення параметрів нелінійної інтегральної моделі; у [9] - концептуальна модель бази даних для системи моніторингу екологічного стану навколишнього середовища військових об'єктів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень оприлюднені на VII Міжнародній науково-практичній конференції "Современные информационные и электронные технологии" (2006 р., м. Одеса); на II Міжнародній науково-практичній конференції "Військова освіта та наука: сьогодення та майбутнє" (2006 р., м. Київ); на VIII Науково-практичній конференції "Современные информационные и электронные технологи" (2007 р., м. Одеса); на IV Міжнародній науково-практичній конференції "Військова освіта та наука: сьогодення та майбутнє" (2008 р., м. Київ), на V Міжнародній науково-практичній конференції "Військова освіта і наука: сьогодення та майбутнє" (2009 р., м. Київ); на II Всеукраїнській науково-технічній конференції "Перспективи розвитку озброєння і військової техніки Сухопутних військ" (2009 р., м. Львів); на Науково-практичній конференції "Актуальні задачі фінансового, психологічного, правового, топогеодезичного, радіотехнічного та лінгвістичного забезпечення підрозділів та частин Збройний Сил України" (2009 р., м. Київ).

Публікації. Основні результати опубліковані у 9 статтях фахових видань та 6 тезах доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг складає 212 сторінок машинописного тексту, з яких 59 займають ілюстрації, таблиці, додатки, акти впровадження та список використаних джерел, що містить 109 найменувань.

Основний зміст

У вступі обґрунтована актуальність задачі розроблення та дослідження інформаційної технології для автоматизації моніторингу стану навколишнього середовища на об'єктах військового призначення, сформульовані мета й завдання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети, проаналізовані основні результати роботи.

У першому розділі проведено аналіз стану екологічної безпеки на об'єктах військового призначення. Розглянуті концептуальні засади екологічної безпеки, наведені основні поняття й визначення екологічної безпеки, визначені її об'єкти й суб'єкти, критерії, рівні екобезпеки. Описані складові екобезпеки. Описані дії, пов'язані з моніторингом та екологічною експертизою. Показано, що система екомоніторингу довкілля є інтегрованою інформаційною системою, що здійснює збір, збереження та оброблення екологічної інформації для відомого та комплексного оцінювання і прогнозування стану природних середовищ, біоти та умов життєдіяльності, вироблення обґрунтованих рекомендацій для прийняття ефективних соціальних, економічних та екологічних рішень на всіх рівнях державної виконавчої влади. Моніторинг складається з трьох ланок: спостереження, оцінка стану і прогноз можливих змін.

Коротко описана система стандартів якості навколишнього середовища, що включає в себе екологічні стандарти й екологічні нормативи. Екологічні нормативи являють собою систему й включають: нормативи екологічної безпеки - гранично допустимі концентрації (ГДК) забруднюючих речовин у навколишньому природному середовищі, гранично допустимі рівні акустичного, електромагнітного, радіаційного й іншого шкідливого впливу на навколишнє природне середовище, гранично допустимий вміст шкідливих речовин у продуктах харчування; гранично допустимі викиди (ГДВ) і скидання в навколишнє природне середовище забруднюючих хімічних речовин, рівні шкідливого впливу фізичних і біологічних факторів. Центральне місце серед перерахованих екологічних нормативів займають нормативи ГДК шкідливих речовин в атмосфері, водоймах, ґрунтах і нормативи ГДВ шкідливих речовин стаціонарними й пересувними джерелами забруднення.

У розділі показані екологічні аспекти військової діяльності, а саме: вплив військової діяльності на стан навколишнього середовища через джерела забруднення природного середовища; висвітлені питання очищення наколишнього середовища на військових об'єктах; зобов'язання й напрями діяльності військової організації щодо поліпшення охорони навколишнього середовища.

Описані сучасні дії, спрямовані на створення Систем управління станом навколишнього середовища (СУСНС) в іноземних країнах, показаний вплив Міжнародного стандарту на СУСНС на практику її впровадження на прикладі збройних сил іноземних країн. Описана екологічна політика Збройних Сил країн НАТО (на прикладі Оборонних Сил Данії). Показано, що моніторинг даних про екологічний стан - найважливіша функція системи управління станом навколишнього середовища.

Закінчується перший розділ постановкою і обгрунтуванням завдань дослідження.

Необхідність вирішення першої й другої задач диктується специфікою управління екологією, особливо у військах.

Метою вирішення третьої задачі є приведення існуючих концепцій побудови СУСНС до вимог міжнародного стандарту ISO 14001.

Четверта задача полягає у розгляді й аналізі сучасних концепцій і технологій у галузі оперативної аналітичної обробки даних й виборі найбільш придатних для застосуванні в СУСНС та СЕМ.

Сутність п'ятої задачі полягає в удосконаленні концептуальної моделі БД з огляду на результати досліджень попередніх задач.

Для дослідження покращення якості моніторингу через підвищення точності прогнозування необхідно вирішити шосту задачу.

Оперативність моніторингу досягається його автоматизацією і це приводить до необхідності вирішення сьомої задачі.

Восьма задача завершує комплекс досліджень з обраної тематики.

Рішення вказаних взаємопов'язаних задач визначило структуру й зміст дисертаційної роботи.

У другому розділі розглянуто побудову інфологічної моделі БД системи екологічного моніторингу. Предметом є створення інформаційної системи, яка автоматизує процес моніторінгу.

Підходи до побудови інформаційно-аналітичних систем, що існують у світовій практиці, можна класифікувати в залежності від новітніх концепцій аналізу й збереження даних: відповідних інструментів побудови банку даних (технології побудови Сховищ Даних - Data Warehouse); відповідних інструментів аналітичної обробки даних (технології OLAP, ROLAP, OLТP); відповідних інструментів інтелектуального аналізу даних (технології Data Mining).

Технології OLAP тісно пов'язані з технологіями побудови Data Warehouse і методами інтелектуальної обробки даних Data Mining. Найкращим варіантом є комплексний підхід до їхнього впровадження.

Структура бази даних повинна підтримувати екологічний паспорт військової частини та базу даних екологічного моніторингу військових об'єктів.

Однак для відповідного аналітичного аналізу ситуації та прийняття рішень (аналіз екологічних ризиків, прийняття науково-обґрунтованих управлінських рішень щодо управління станом довкілля) необхідно мати більші об'єми інформації, які не можуть бути зібрані тільки у відповідній паспортній базі даних військових об'єктів і можуть бути одержані з баз даних та інформаційно-аналітичних систем інших міністерств та відомств.

Серед функцій, що покладаються на таку БД, основна увага має приділятися прогнозним функціям, які виконуються методами, широко доступними в сучасних пакетах цифрової обробки даних.

Наприклад, у MS Excel можна використовувати метод апроксимації числових рядів (спостережень) з використанням додавання обраних регресій (ліній тренда - trendlines) у діаграму, побудовану на основі таблиці даних для досліджуваної характеристики процесу.

Реалізація на нижніх ланках ієрархічної системи управління станом навколишнього середовища на базі реляційних систем управління базами даних (РСУБД) уже зараз може бути побудована на основі застосування доступних програмних продуктів Microsoft Access, Visual FoxPro, Delphi та відпрацьованих реляційних технологій, а для малих за розміром БД навіть з використанням Microsoft Excel.

Одним із компонентів системи екологічного моніторингу є інформаційно-вимірювальна система моніторингу (ІВСМ) навколишнього середовища.

ІВСМ - це розподілена система контролю важливих параметрів довкілля у різних складових середовища (повітря, вода, ґрунт) і об'єктах екосистеми, збору, обробки даних і представлення результатів, що призначена для спостереження параметрів екологічної обстановки на військових об'єктах, попередньої обробки отриманих даних і передачі їх у ІАСУСНС.

Для реалізації ІАСУСНС доцільно запропонувати багаторівневе рішення:

перший рівень - загальнокорпоративна БД на основі РСУБД із нормалізованою чи слабо денормалізованою схемою (деталізовані дані) у військових частинах; другий рівень - БД рівня Центру військової екології МО, реалізовані на основі БСУБД (агреговані дані); третій рівень - робочі місця кінцевих користувачів у управлінні екології управління начальника військ РХБ захисту, оперативних командуваннях та видах ЗС України, на яких безпосередньо встановлено аналітичний інструментарій для роботи з екологічними даними.

Такий підхід дозволить найбільш повно реалізувати і використати переваги кожної з концепцій: компактне збереження деталізованих даних і підтримка дуже великих БД забезпечуються реляційними СУБД; простота настройки і швидкість відгуку при роботі з агрегованими даними забезпечуються багатомірними СУБД.

Наведено результуючу структуру БД екологічних паспортів, що одержана в результаті проектування із застосуванням програм Erwin та Microsoft Visio.

Для переходу від логічної моделі бази даних на фізичний рівень необхідно визначити тип даних, фізичне найменування таблиць, що відповідають логічному найменуванню сутностей, найменування полів таблиць, що відповідають найменуванню атрибутів, а також розмір полів.

У третьому розділі розглянуті питання, пов'язані із прогнозуванням екологічного стану навколишнього середовища військових об'єктів. У першу чергу це завдання, що випливають із особливостей об'єкта.

Оскільки методичною основою майже всіх сучасних математичних методів прогнозування є метод найменших квадратів (МНК), наведені основні формули для його практичного використання. Далі описані пропозиції автора щодо вирівнювання рядів спостереження через їх можливу нестаціонарність. інформатизація екологічний прогнозування концентрація

У роботі запропоновано удосконалений метод побудови прогнозуючого фільтра, що базується на сполученні методу побудови нелінійного прогнозного фільтра у вигляді степеневого функціонального ряду Вольтерра й методу евристичної самоорганізації (МГОА - методу групового обліку аргументів).

Найбільш загальною формою моделі, що адекватно описує широкий клас нелінійних динамічних об'єктів, є степеневий функціональний ряд як окремий випадок - ряд Вольтерра

де: (t) - сигнал на вході об'єкта (відомий);

y(t) - сигнал (незашумлений) на виході об'єкта (невідомий);

(t) = y(t) + N(t) - спостерігаємий вихід об'єкта;

- вихід прогнозуючого фільтра.

Ставиться задача знайти такий фільтр, вихідний сигнал якого задовольняє вимозі

,

де - вихідний сигнал об'єкта, в нашому випадку такий, що дає уявлення про прогнозовану величину, A - неперервний оператор.

При вирішується задача ідентифікації, при - задача прогнозування, при - задача фільтрації.

Припустимо:

(1)

Тут використано розклад ядра (вагової функції для лінійного випадку) w(t) через систему ортонормальних базисних поліномів {T_i(t)} (типу поліномів Чєбишева), тобто

.

Як правило, з достатньою для практичних застосувань точністю k1 = 5. Для багатовимірного ядра використано розклад по тензорному добутку системи ортонормальних поліномів .

Використаємо наступне позначення:

. (2)

Остання підстановка приводить (1) до вигляду:

(3)

або для дискретного аргументу

, (4)

де:

Застосування алгоритмів евристичної самоорганізації (МГОА) для формування остаточної структури запропонованого фільтра дозволяє одержати субоптимальний фільтр з необхідними точносними характеристиками на зменшеному числі спостережень і за менше число кроків, ніж при нарізному використанні методів.

Основні правила конструювання алгоритмів МГОА полягають у наступному.

"Повний" опис об'єкта = f(x₁, x₂, x₃, …, x_n) заміняють декількома "частковими" описами:

y₁ = f₁(x₁, x₂), y₂ = f₁(x₁, x₃), …, y_m = f₁(x_n-1, x_n), де ;

u₁ = f₁(y₁, y₂), u₂ = f₁(y₁, y₃), …, u_p = f₁(y_m-1, y_m), де .

Алгоритми МГОА конструюються так, що задовольняють двом наступним умовам:

1. Функція f₁ - однакова у всіх рівняннях. Виключаючи проміжні змінні, можна одержати "аналог" повного опису.

2. Аналог за виглядом повинен відповідати повному опису.

При застосуванні до (1) й (2) маємо (t) = f{z₁(t), …, z₅(t)}.

Пропонується вибирати найпростіший нелінійний вираз для f₁ у вигляді квадратичного полінома:

y₁(t) = f₁(z₁(t),z₂(t)) = a₀₁ + a₁₁z₁(t)z₂(t) + a₂₁z₁²(t) + a₃₁z₂²(t) + a₄₁z₁(t) + a₅₁z₂(t);

y₂(t) = f₁(z₁(t),z₃(t)) = a₀₂ + a₁₂z₁(t)z₃(t) + a₂₂z₁²(t) + a₃₂z₃²(t) + a₄₂z₁(t) + a₅₂z₃(t);

.

.

.

y₁₀(t) = f₁(z₄(t),z₅(t)) = a_{0 10} + a_{1 10}z₄(t)z₅(t) + a_{2 10}z₄²(t) + a_{3 10}z₅²(t) + a_{4 10}z₄(t) + a_{5 10}z₅(t).

Другий ряд селекції формується з використанням подібних формул:

u_k(t) = f₁(y_i(t), y_j(t)) = b₀ + b₁y_i(t)y_j(t) + b₂y_i²(t) + b₃y_j²(t) + b₄y_i(t) + b₅y_j(t),

де y_i(t) й y_j(t) вибираються з першого ряду селекції. Критерій відбору - мінімум середньоквадратичної похибки.

Наприклад, якщо використовувати поліноми Лагерра у формулі (2):

T₁() = 1,

T₂() = - 1,

T₃() = ² - 4 + 2,

T₄() = ³ - 9² + 18 - 6,

T₅() = ⁴ - 16³ + 72² - 96 +24,

будемо мати:

Відзначимо основну перевагу застосування МГОА - число оцінюваних параметрів різко зменшується, а це зменшує довірчі інтервали одержаних оцінок, тобто приводить до підвищення точності прогнозування.

В наступній таблиці наведені дані поточності прогнозування для різних методів

№ варіанта	Відмінна риса варіанта	Значення середньоквадратичної похибки прогнозування
1	5 багаточленів Лагерра, лінійна модель	27
2	4 багаточлени Лагерра, лінійна модель	36
3	5 багаточленів Ерміта, лінійна модель	27
4	Ковзне середнє (n = 3)	58
5	Ковзне середнє (n = 5)	15
6	Експонеційне згладжування ( = 0,2)	59
7	Експонеційне згладжування ( = 0,4)	55
8	Прогнозування за останнім значенням	57
9	Прогнозування за математичним сподіванням	76
10	Нелінійний динамічний фільтр	12

У четвертому розділі розглянуті питання автоматизації інформаційних процесів, що супроводжують моніторинг навколишнього середовища. Це питання подання даних, методів та програмних засобів прогнозування.

Системи екологічного моніторінгу на даний час грунтуються на даних лабораторій санітарно-епідеміологічних станцій, міністерства екології та природних ресурсів, промислових підприємств. Найпоширеніші засоби визначення концентрації шкідливих речовин у воді та повітрі використовують електрохімічні методи вимірювання та контролю. Відповідно до діючих методик аналізу похибка визначення концентрації шкідливих речовин змінюється в діапазоні від 6% до 40%. В окремих випадках допускається визначення концентрацій шкідливих речовин на рівні 0,5 граничнодопустимих концентрацій (ГДК) з похибками до 50%. При таких рівнях зашумленості первинних даних результати моніторінгу не можуть забезпечити достовірною інформацією процеси управління об'єктами довкілля. Більш точні засоби моніторінгу дорогі і тому використовуються лише в окремих лабораторіях. Вони не забезпечують потреби масових аналізів. У такій ситуації велике значення має спрощення застосування методів статистичної обробки.

На самому нижньому рівні системи екологічного моніторингу безпосередньо у військових частинах прийняте табличне подання даних, тому найбільш доцільним є використання EXCEL - електронних таблиць фірми Micrоsoft.

Для таблиці даних, що описують деякий процес, представлений діаграмою, у Excel є ефективний інструмент регресійного аналізу, що дозволяє:

будувати на основі методу найменших квадратів і додавати в діаграму п'ять типів регресій, що за тим або іншим рівнем точності моделюють досліджуваний процес;

додавати до діаграми рівняння побудованої регресії;

визначати рівень відповідності обраної регресії відображуваним на діаграмі даним.

На основі даних діаграми Excel дозволяє одержувати лінійний, поліноміальний, логарифмічний, степеневий, експонентний типи регресій.

При підборі лінії тренда Excel автоматично розраховує значення величини R², що характеризує вірогідність апроксимації: чим ближче значення R² до одиниці, тим надійніше лінія тренда апроксимує досліджуваний процес. При необхідності значення R² завжди можна відобразити на діаграмі.

Для додавання лінії тренда до ряду даних потрібно:

активізувати побудовану на основі ряду даних діаграму, тобто клацнути в межах області діаграми. У головному меню з'явиться пункт Диаграмма;

після щиглика на цьому пункті на екрані з'явиться меню, у якому треба вибрати команду Добавить линию тренда.

Ці ж дії легко реалізуються, якщо навести курсор миші на графік, що відповідає одному з рядів даних, і клацнути правою кнопкою миші; у контекстному меню, що з'явиться, вибрати команду Добавить линию тренда. На екрані з'явиться діалогове вікно Линия тренда з розкритою вкладкою Тип.

Після цього необхідно:

Вибрати на вкладці Тип необхідний тип лінії тренда. Для типу Полиномиальный в поле Степень варто задати ступінь обраного полінома.

При необхідності, перейшовши на вкладку Параметры, можна для лінії тренда задати наступні параметри

змінити назву лінії тренда в полі Название апроксимуючої (згладженої) кривої;

задати кількість періодів (вперед або назад) для прогнозу в полі Прогноз;

вивести в область діаграми рівняння лінії тренда, для чого варто включити прапорець Показать уравнение на диаграмме;

вивести в область діаграми значення вірогідності апроксимації R², для чого варто включити прапорець Поместить на діаграму величину достоверности апроксимации (R^2);

задати точку перетинання лінії тренда з віссю Y, для чого потрібно включити прапорець перетинання кривої з віссю Y у точці; клацнути на кнопці OK, щоб закрити діалогове вікно.

Продемонструємо застосування технології прогнозування стану навколишнього середовища із застосуванням засобів Microsoft Excel (ТПСНС).

Відповідно до таблиці даних стосовно забруднення шкідливою речовиною на підприємстві за 2000 - 2007 р

1. Побудуємо діаграму.

2. У діаграму додамо лінійну й поліноміальну (квадратичну й кубічну) лінії тренду.

3. Виведемо рівняння одержаних ліній тренду, а також величини вірогідності апроксимації R² для кожної з них.

4. Використовуючи рівняння ліній тренду, одержуємо табличні дані щодо забруднення для кожної лінії тренду за 2000 - 2007 р.

5. Складемо прогноз стосовно забруднення 2008 р. й 2009 р.

Крок 1.

У діапазон осередків A4:C11 робочого листка Excel вводимо дані про забруднення.

Крок 2.

Виділивши діапазон осередків B4:C11, будуємо діаграму.

Активізуємо побудовану діаграму і за описаною вище методикою після вибору типу лінії тренда в діалоговому вікні Линия тренда по черзі додаємо в діаграму лінійну, квадратичну і кубічну лінії тренда. У цьому ж діалоговому вікні відкриваємо вкладку Параметры, у полі Название апроксимуючої (згладженої) кривої вводимо найменування тренда, що додається, а в полі Прогноз вперед на: периодов задаємо значення 2, тому що планується зробити прогноз на два роки вперед. Для висновку в області діаграми рівняння регресії і значення вірогідності апроксимації S² включаємо прапорці показывать уравнения на экране і поместить на диаграмму величину достоверности аппроксимации (R^2).

Для одержання табличних даних щодо забруднення підприємства для кожної лінії тренда за 2000-2007 р. скористаємося рівняннями ліній тренда. Таким чином складений прогноз щодо забруднення підприємством НС на 2008 р. і 2009 р. за допомогою трьох трендів.

Оскільки точність апроксимації найбільша у кубічної апроксимації, її й вибираємо для прогнозу.

Висновки

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної наукової задачі, яка полягає у розробленні інформаційної технології моніторингу стану навколишнього середовища на об'єктах військового призначення.

Головні наукові й практичні результати роботи.

1. На основі виконаного аналізу проблем управління станом навколишнього середовища об'єктів військового призначення показано, що жодна з існуючих СУСНС не відповідає вимогам міжнародного стандарту ISO 14001.

2. Сформульована та вирішена важлива наукова задача розроблення концептуальної моделі СУСНС, її структури та функцій.

3. Важливою підсистемою СУСНС є СЕМ, для якої також розроблена концептуальна модель, що визначила її структуру та функції.

3.1. Запропонована розроблена математична модель прогнозування екологічного стану навколишнього середовища в місцях розташування військових об'єктів значно підвищує оперативність і якість прийняття рішень, що виробляються при вирішенні завдань, спрямованих на охорону навколишнього середовища в місцях розташування військових об'єктів.

4. Основні результати дисертаційної роботи можна класифікувати згідно з їх теретико-концептуальною, алгоритмічно-прикладною і реалізаційно-прикладною значимістю.

4.1. Виконаний системний аналіз проблем управління НС ОВП та існуючих рішень, запропонована та досліджена концепція управління НС.

4.2. Запропонований комплексний метод оцінювання параметрів нелінійної динамічної моделі прогнозування, в якому сполучені інтегральна модель на основі рядів Вольтерра й евристичного пошуку значимих складових на основі МГОА А.Г. Івахненко.

4.3. Запропонована інформаційна технологія проведення прогнозування даних екологічного моніторингу методом апроксимації на базі електронних таблиць Ms Excel.

4.4. Побудована інфологічна модель основної складової бази даних СЕМ - обліку даних екологічних паспортів військових частин.

На основі наведених теоретико-концептуальних результатів з метою їх використання для розробки СЕМ одержані результати щодо алгоритмічно-прикладного забезпечення оперативної обробки даних.

4.5. Розроблено концепцію програмної реалізації БД СЕМ на базі широко розповсюджених програм, що функціонують в середовищі Windows - Erwin та Microsoft Visio.

Прикладні результати дисертаційної роботи полягають у застосуванні запропонованих концепцій, моделей, алгоритмів і засобів для реалізації СЕМ на ОВП.

4.6. Ефективність створених засобів підтверджена практичним їх застосуванням на державному підприємстві "Житомирський ремонтно-механічний завод" й у ВАТ " Меридіан". Подальше впровадження матеріалів дисертації у практику вирішення завдань, спрямованих на охорону навколишнього середовища в місцях розташування військових об'єктів, підтверджене актом впровадження від начальника військ РХБ захисту Збройних сил - начальника Центрального управління РХБ захисту Головного управління оперативного забезпечення Командування сил підтримки Збройних Сил України.

5. Для вирішення задач, пов'язаних з розробкою СЕМ, в дисертації широко використовуються принципи, методи і засоби системного аналізу, загальної теорії систем, аналітичного моделювання, математичного програмування, торії розкладів, теорії ймовірностей, методи штучного інтелекту.

6. Обґрунтованість одержаних результатів обумовлена застосуванням методології системного аналізу для обґрунтування концепції СЕМ та її складових, коректними перетвореннями в рамках моделей математичного програмування, теорії розкладів, теорії ймовірностей, штучного інтелекту, адекватність яких підтверджена експериментальними дослідженнями і результатами впровадження розроблених засобів, пріоритетом публікації результатів в провідних наукових журналах і збірниках, схваленням фахівців на наукових конференціях і семінарах.

7. Рекомендується подальше застосування одержаних результатів для розробки нових версій інструментальних засобів СЕМ на ОВП, розв'язання наукових і практичних проблем у галузі автоматизації управління і проектування СЕМ й СУСНС, формалізації процесів управління і проектування.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Сбітнєв А.І. Використанням методів OLAP для моніторінгу екологічного стану навколишнього середовища на військових об'єктах / А.І. Сбітнєв, С.Г. Бутенко, І.С. Романченко, В.М. Шмиголь // Збірник наукових праць ВІКНУ ім. Тараса Шевченка. - К., 2006. - Вип. №3. - С. 236-240.

2. Сбітнєв А.І. Прогнозування у військовій та військово-технічній справі / А.І. Сбітнєв, В.М. Шмиголь, О.Г. Тіоссо // Вісник КНУ Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. - К.: ВПЦ "Київський ун-т". - 2007. №.18. - С. 8 - 12.

3. Сбітнєв А.І. Вирівнювання рядів спостереження у системах моніторінгу екологічного стану в місцях розташування частин ЗСУ / А.І. Сбітнєв, С.Г. Бутенко, І.С. Романченко, В.М. Шмиголь // Вісник КНУ імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. - К.: ВПЦ "Київський ун-т", - 2007. №.14. - С. 23-25.

4. Романченко І.С. Урахування впливу військової діяльності на якість навколишнього середовища в іноземних арміях / І.С. Романченко, А.І. Сбітнєв, С.Г. Бутенко, В.М. Шмиголь // Збірник наукових праць ВІКНУ імені Тараса Шевченка. - К., 2009. - № 17. - С. 173-185.

5. Романченко І.С. Забруднення й очищення наколишнього середовища на військових об'єктах / І.С. Романченко, А.І. Сбітнєв, С.Г. Бутенко, В.М. Шмиголь // Збірник наукових праць ВІКНУ імені Тараса Шевченка. - К., 2009. - № 19. - С. 151-165.

6. Романченко І.С. До впровадження екологічного моніторінгу на об'єкті військового призначення / І.С. Романченко, А.І. Сбітнєв, С.Г. Бутенко, Н.В. Коновалова, В.М. Шмиголь // Вісник КНУ імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. - К., 2009. - №22. - С. 21-25.

7. Сбітнєв А.І. Інформаційно-технологічні аспекти моніторінгу навколишнього середовища на об'єкті військового призначення / А.І. Сбітнєв, І.С. Романченко, С.Г. Бутенко, Н.В. Коновалова, В.М. Шмиголь // Збірник наукових праць ВІКНУ імені Т. Шевченка. - К., 2009. - № 21. - С. 131-136.

8. Сбітнєв А.І. Використання евристичної самоорганізації для визначення структури динамічного нелінійного прогнозного фільтра / А.І. Сбітнєв, В.В. Козлов, В.М. Шмиголь // Збірник "Бухгалтерський облік, аналіз та аудит. Проблеми теорії, методології та організації". К.: Державна академія статистики, обліку та аудиту 2009. - Вип. - № 3. - С. 117-120.

9. Сбітнєв А.І. Проектування бази даних для системи моніторінгу екологічного стану навколишнього середовища військових об'єктів / А.І. Сбітнєв, В.М. Шмиголь // Збірник наукових праць ВІКНУ імені Тараса Шевченка. - К., 2009. - № 20. - С. 167-173.

Размещено на Allbest.ru

...