Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Информационная система выбора переменных контроля экологического объекта на основе построенных аналитических и процедурных моделей.

Специальность 05.25.05 - "Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики"

Литвинов Антон Александрович

Тамбов 2008

Диссертационная работа выполнена на кафедре “Информационные системы и защита информации” Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Громов Юрий Юрьевич

Официальные оппоненты:

д. т. н., профессор Алексеев Владимир Витальевич,

к. т. н. Земской Николай Александрович.

Ведущая организация: ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет".

Защита диссертации состоится “12" сентября 2008г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 212.260.05 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу:

392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, Большой актовый зал.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.05 Селивановой З. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.

Автореферат разослан “2” июля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент З.М. Селиванова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Сложность разработки информационно-аналитического обеспечения принятия управленческих решений в процессе функционирования экологических объектов объясняется тем, что эти объекты по своей сути являются социотехническими, состоящими не только из технических элементов, но и экосоциальных, обладающих тесными связями с обществом и постоянно реагирующих на его требования. Кроме того, региональные экологические объекты остаются малоизученными из-за отсутствия автоматизированных систем сбора данных, средств на проведение комплексных исследований, а также квалифицированных специалистов по планированию устойчивого развития территорий.

Контроль состояния функционирования экологических объектов является неотъемлемой частью процесса их разработки, испытаний и эксплуатации. Задача контроля заключается в получении достоверной информации об экологическом объекте в объеме, необходимом для выполнения поставленной цели. По мере возрастания сложности контролируемых экосистем возникают проблемы выбора рациональной совокупности контролируемых переменных и организации самих процедур контроля с целью повышения их эффективности и достоверности. Обусловлено это тем, что для современных экологических объектов характерным является наличие сложных систем функциональных связей и информационного обмена, что обуславливает их стохастические свойства.

В такой ситуации невозможно обойтись без использования современных информационных технологий, позволяющих выполнять сбор, обработку и хранение информации о процессе функционирования экологического объекта и применения аналитических моделей, позволяющих эффективно осуществлять процессы контроля с целью принятия оперативных управленческих решений для изменения режимов его работы.

Проблеме функционирования экологических объектов посвящен ряд работ (Г.В. Шалабина., Л.А. Кульского, Г.М. Адорни, Б. Пачинского, В.М. Гольдберга, Д. Болла), тем не менее в настоящее время актуальной является задача разработки информационной системы не только оперативно выполняющей свои функции, но и позволяющей осуществлять нахождение оценок состояния функционирования экологических объектов для принятия управленческих решений по изменению режимов эксплуатации.

В работе в качестве экологического объекта будем рассматривать систему водозаборных скважин, расположенных на территории Тамбовской области.

Цель работы. Разработать информационную систему выбора переменных контроля состояния функционирования экологического объекта для принятия управленческих решений. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

оценить современное состояние информационного и аналитического обеспечения мониторинга экологического объекта;

поставить и решить задачи определения состава контролируемых переменных и выбора программ распознавания состояний функционирования экологического объекта;

разработать структуру базы данных, обеспечивающую хранение информации, полученной от составляющих экологического объекта и выбор необходимых программных средств для ее дальнейшего использования в информационной системе;

построить аналитические и процедурные модели, и разработать структуру информационной системы, позволяющей выбирать переменные контроля состояния функционирования экологического объекта, для принятия оперативных управленческих решений при изменении режимов его работы.

Объект исследования. Переменные контроля состояния функционирования экологического объекта.

Предмет исследования. Аналитические и процедурные модели выбора переменных и методов контроля экологического объекта.

Методы исследования. Для решения перечисленных задач в работе использованы методы: статистического анализа, теории вероятностей, математического моделирования, математической статистики.

Научная новизна работы:

предложены аналитические модели, позволяющие определить набор контролируемых переменных, для распознавания состояний функционирования экологического объекта, в основу которых положено использование детерминированного, стохастического и последовательного методов, что обеспечивает снижение вычислительных затрат, и оперативно принимать управленческие решения по изменению режимов его работы;

поставлена и решена задача выбора программ контроля состояний функционирования экологического объекта по критериям максимума достоверности, минимума средних затрат, минимаксному критерию, что позволяет обеспечить эффективный процесс оперативного принятия решений для изменения режимов работы экологического объекта с целью предотвращений аварийных ситуаций и добиться снижения экономических и технологических затрат на процесс его эксплуатации.

предложена структура информационной системы выбора переменных контроля экологического объекта, включающая блок базы данных, блок выбора методов распознавания технического состояния, модуль распознавания технического состояния объекта, передающий переменные в пользовательский интерфейс.

Практическая ценность работы заключается в возможности использовать полученные результаты при проектировании новых и эксплуатации существующих экологических объектов, а также использовать разработанную в ходе исследования информационную систему для создания программно-аппаратного комплекса для решения задач экологического мониторинга состояния подземных вод и предотвращения аварийных ситуаций.

Полученные в ходе работы результаты использованы:

1) при обучении студентов специальности “Информационные системы и технологии” (ИСиТ) на факультете информационных технологий Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ), что позволило повысить качество и эффективность учебного процесса.

2) при обучении студентов специальностей “Автоматизированные системы обработки информации и управления” и в Тамбовском профессиональном лицее №17.

3) при разработке учебно-методических пособий, лабораторных работ и обучающих программных комплексов по дисциплине “информационные системы" на кафедре "Информационные системы и защита информации" ТГТУ.

Реализация результатов работы. При эксплуатации существующих экологических объектов, а также решения задач экологического мониторинга состояния подземных вод и предотвращения аварийных ситуаций на базе территориального центра "Тамбовгеомониторинг".

Положения, выносимые на защиту:

модели распознавания состояний функционирования экологического объекта, основанные на выборе минимального количества переменных, при использовании детерминированного, стохастического и последовательного методов;

постановки и решения задач синтеза оптимальных программ контроля состояний функционирования экологического объекта для обеспечения эффективности процесса оперативного принятия решений по критериям максимума достоверности, минимума средних затрат и минимаксному критерию;

информационная система выбора переменных контроля экологического объекта, позволяющая осуществлять процессы контроля состояния функционирования экологического объекта на основе построенных аналитических и процедурных моделей.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены и обсуждены на IV Всероссийской научно-технической конференции "Теория конфликта и ее приложения" (г. Воронеж, 2006), на семинарах кафедры “Информационные системы и защита информации ” ТГТУ и кафедры “Прикладная информатика" Тамбовского филиала Московского государственного университета культуры и искусств.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 7 статей, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертация, общий объем которой составляет 170 страниц, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной научной литературы, включающего 86 наименований научных трудов на русском и иностранных языках и 5 приложений Диссертация содержит 10 рисунков и 17 таблиц.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, поставлены задачи, решения которых позволяют достичь цели исследования.

В главе 1 "Современное состояние информационного обеспечения мониторинга вод в Тамбове и области" на основе изучения литературных источников проведен анализ состояния подземных вод в г. Тамбове и Тамбовской области, уровня их загрязненности.

Изучение литературных источников позволило определить динамику забора воды и результаты химико-бактериологических анализов.

Проанализированы возможности наиболее распространенных типовых геоинформационных систем (ГИС), так как значительное количество обрабатываемых данных имеет привязку к карте местности, в аспекте возможности интеграции их в конкретно разрабатываемую систему, как важного компонента для принятия решений, что облегчит создание интегрированной системы.

Проведен анализ работ с использованием ГИС для решения задач экологического мониторинга, что позволило сформулировать состав и структуру информационной системы, принципы ее построения, поставить задачу выбора методов распознавания и состава контролируемых признаков технического состояния экологического объекта.

В главе 2 “Методы распознавания технических состояний экологических объектов” рассмотрены детерминированный, статистический и последовательный методы распознавания технических состояний контролируемых объектов.

В практической ситуации после получения данных с датчиков происходит сравнение технических состояний с установленными оптимальными параметрами, выход за границы которых приведет к каким-либо действиям для анализа технических состояний при использования детерминированных методов.

Рассмотрим т классов, для которых в процессе обучения получены технические состояния е₁, е₂,., е_m контролируемых параметров экологического объекта. Информация о текущем состоянии объекта получается за счет проверок из заданного множества П. В результате каждой проверки получается признак y_j, а после всех п проверок - техническое состояние объекта в виде транспонированного вектора у= (у₁,y₂,.,y_n) ^т.

Результаты сопоставления всех признаков с соответствующими признаками е_ij кладутся в основу выработки решения о принадлежности состояния объекта определенному классу, согласно принятому классификационному правилу.

Аналитическая модель представлена решающим правилом вида:

, если , где .

В качестве меры сходства состояния у с состоянием е_i, - каждого класса выберем евклидово расстояние , которое определено по следующей формуле:

(6-1)

(1)

где е_ij - компоненты вектора e_i .

Также аналитическую модель можно представить в виде:

.

Решающая функция d_i (y) определяется выражением:

, где . (2)

Поскольку одна и та же величина входит в техническое состояние всех экологических объектов, то основные геометрические свойства соответствующих классов не изменяются, а стало быть, не изменяются условия разделения их гиперплоскостями.

Поэтому в выражении (2) второй член в правой части опускается. Решающая функция, характеризующая сходство технических состояний у и е_i, определяется в этом случае их скалярным произведением, т.е.

(6-5)

информационное аналитическое обеспечение мониторинг

, (3)

и в таком виде входит в классифицирующее правило (1). Использование решающей функции (3) вместо функции (2) не приводит (в силу указанной выше причины) к ухудшению качества распознавания.

После завершения всех проверок результаты технических состояниях объектов заносятся в базу данных, структура которой предложена в главе 4.

Однако ввиду сложности рассматриваемых объектов и наличия у них стохастических свойств для решения задачи распознавания будем использовать критерий Байеса, в соответствии с которым стратегия решений выбирается так, чтобы обеспечить минимум средних потерь.

Постановка задачи заключается в следующем.

Задано т технических состояний e₁, е₂,., е_m, в одном из которых находится объект. Распознаваемое состояние объекта описывается транспонированным вектором у = (у₁, у₂,…,y_п) ^T, полученным в результате п проверок . Требуется определить, с каким из заданных технических состояний идентифицируется распознаваемое состояние объекта, т.е. найти класс, которому принадлежит состояние у.

В случае, когда число рассматриваемых технических состояний равно т, аналитическая модель представлена решающим правилом вида:

, (4)

где вероятность принадлежности технического состояния у к i-му классу обозначается как Р (е_i/у) и находится по формуле Байеса. Если при распознавании принимается решение, что у принадлежит k-му классу, когда на самом деле оно принадлежит i-му классу, то допускается ошибка, которая влечет за собой определенные потери с_ik. Для всех i, вычислены потери с_ik, которые в совокупности образуют матрицу потерь - квадратную матрицу порядка т, диагональные элементы которой соответствуют правильным решениям при распознавании. Математическое ожидание потерь, связанных с отнесением у к k-му классу, определяется следующим выражением:

, (5)

где R_{k -} условный средний риск или условные средние потери.

Распознаваемое техническое состояние относится к тому k-му классу, для которого риск R_k минимален, т.е. аналитическая модель представлена в виде классифицирующего правила, записываемого в следующем виде:

, если . (6)

Для представления общего случая разделения на несколько классов будем использовать функцию потерь специального вида, которую можно получить, если потери при правильном принятии решения считать равными нулю, а при принятии любого ошибочного решения - одинаковыми.

В этом случае аналитическая модель представлена функцией потерь вида:

, с_ik = с_ki при всех , (7)

где _ik - символ Кронекера.

Это соотношение устанавливает нормированные потери, равные единице, при ошибочной классификации и отсутствие потерь при правильной классификации распознаваемого состояния объекта.

Тогда справедливо выражение вида:

Байесовское классифицирующее правило в этом случае обеспечивает отнесение технического состояния у к классу d_i (y), если выполняется условие

Р (у) - Р (е_i) Р (у/е_i) <Р (у) - Р (е_k) Р (у/е_k), или условие

Р (е_i) Р (y/е_i) >Р (е_k) Р (у/е_k); (8)

Таким образом, байесовское классифицирующее правило принимает форму (2), в котором аналитическая модель представлена решающей функцией d_i (y), которая определяется в соответствии с формулой (8) и имеет вид:

(9)

(10)

Формулы (9) и (10) выражают два различных подхода к решению одной и той же задачи. В первом из них используется функция правдоподобия P (у/е_i), а во втором - вероятность Р (е_i/у) принадлежности наблюдаемого состояния объекта у к его i-му техническому состоянию.

Таким образом, выбор того или иного статистического метода распознавания зависит от характера исходной информации и возможностей получения ее на этапах, предшествующих непосредственной реализации распознающей процедуры.

Выбор проверок, отвечающих последовательной процедуре распознавания, осуществлен с помощью метода динамического программирования. В соответствии с основной идеей этого метода, средний риск для разных шагов последовательной процедуры определяется по рекуррентным соотношениям, причем результаты вычислений для каждого из последующих шагов процедуры используются для расчетов на предыдущих ее шагах вплоть до первого. Синтезированная по этому принципу последовательная процедура распознавания технического состояния объекта содержит только часть проверок из заданного их множества.

В главе 3 "Выбор переменных контроля для определения экологических состояний объекта" рассмотрены задачи выбора контролируемых признаков экологических объектов. Такими объектами являются: исполнительные механизмы (ИМ), первичные преобразователи (датчики), насосы, задвижки, и прочее. Задача выбора контролируемых признаков совпадает с задачей выбора измеряемых параметров. В классической постановке эта задача заключается в определении состава измеряемых параметров (контрольных точек), обеспечивающих полную наблюдаемость объекта контроля.

На практике при контроле параметров включаются выходные параметры всех блоков объекта. Полученное при этом исходное множество переменных заведомо содержит в себе подмножество переменных, на котором все заданные технические состояния объекта попарно различимы, т.е. вполне наблюдаемы.

Доказательство этого утверждения базируются на том, что евклидово пространство Е включает т технических состояний е_i , каждое из которых получено путем измерения п выходных параметров, выбранных в соответствии с указанным выше принципом, при . Векторы е_i попарно различимы в том случае, если они линейно независимы, всегда существует некоторое линейное преобразование исходной системы векторов е₁, е₂,…, е_m в систему векторов е'₁, е'₂,., е'_т, которая является линейно независимой при условии, если общее число векторов т не превышает их размерности п.

В качестве искомого преобразования использовано ортогональное преобразование, при котором связь между е_i, - и е'_i имеет вид:

(11)

Составим матрицу, элементами которой являются скалярные произведения вида (е'_i, е'_k), где .

Исходное множество контролируемых переменных объектов, полученных при измерении n выходных параметров, согласно (11), обеспечивает полную наблюдаемость заданных технических состояний объекта.

Таким образом, измерение выходных параметров всех блоков объекта дает обычно избыточное множество переменных, а потому значительная часть зарегистрированной информации не используется при определении технического состояния объекта.

Это множество можно уменьшить за счет выбора переменных, наиболее полезных в том или ином смысле при определении технического состояния экологического объекта.

Сокращение исходного состава контролируемых переменных достигается двумя путями. Первый из них основан на взвешивании тем или иным способом переменных с целью оценки их полезности при контроле. При этом сами переменные не меняются, а только уменьшается их количество.

Другой путь заключается в преобразовании по определенным правилам заданного в агрегированной модели n-мерного пространства контролируемых переменных e_ij в l-мерное пространство новых переменных е_ij*, причем l < п.

Процедура распознавания технических состояний объекта с помощью математических преобразований оказывается более простой и дешевой, так как объем обрабатываемой информации сокращается, хотя количество проверок остается прежним.

1. Постановка задачи выбора переменных объекта путем сокращения исходного состава проверок, заключается в нахождении такого подмножества П*П, чтобы выполнялись условия:

(12)

Эти условия требуют, чтобы искомое подмножество П^* содержало минимально возможное и вместе с тем достаточное количество проверок для обеспечения попарной различимости всех заданных технических состояний, где s=1,.,n - индексы. В том случае, когда найдены несколько подмножеств П*, удовлетворяющих условиям (12), для окончательного выбора одного из этих подмножеств в работе сформулированы дополнительные требования.

Для выбора минимального числа проверок, согласно условиям (12), будем использовать матрицу различимости, элементы которой определяются из таблицы 1, или по правилу:

, (13)

где e₁,., е_{т -} проверки технических состояний.

Таблица 1

Техническое состояние	Исходы проверок	Опорный момент	Вероятность технического состояния P (ei)
	р1	р2	…	рj	.	рn
e1	e11	e12	.	e1j	.	e1n	t1	P (e1)
.	.	.	.	.	.	.	.	.
ei	ei1	ei2	.	eij	.	ein	ti	P (ei)
.	.	.	.	.	.	.	.	.
em	em1	em2	.	emj	.	emn	tm	P (em)

Применительно к матрице различимости рассматриваемая задача формулируется, как задача нахождения кратчайшего столбцового покрытия этой матрицы.

2. Задача выбора переменных объекта по критерию максимума достоверности.

Выбор переменных объекта изображен в виде процедурной модели (рис.1) со следующими основными элементами:

а) определение информационных состояний , которые возникают при всех возможных исходах допустимых проверок ;

б) определение оптимальных проверок для каждого информационного состояния;

в) составление из выбранных проверок оптимальной условной программы контроля.

3. Задача выбора переменных объекта по критерию минимума средних затрат.

Процедура синтеза оптимальной программы контроля состояний объекта по рассматриваемому критерию строится по принципам динамического программирования. Поэтому он имеет много общих элементов с алгоритмом синтеза оптимальной программы диагностирования по критерию максимума достоверности. В частности, определение информационных состояний производится в обоих алгоритмах одинаково.

Рис. 1. Алгоритм выбора переменных объекта

Выбор оптимальных проверок рассматриваемого алгоритма производится по формуле: , где П_k^* - множество всех проверок, которые выполняются при реализации P_{k -} подпрограммы (среди них могут быть и повторяющиеся проверки); S_k^* - информационное состояние, в котором выполняется рассматриваемая проверка .

4. Задача выбора переменных функционирования объекта, основанная на методе контроля переменных объекта по минимаксному критерию.

Рассмотренная задача синтеза оптимальных программ контроля технических состояний объекта по минимаксным критериям позволяет выбрать наилучший вариант условной программы контроля технических состояний в самом неблагоприятном случае.

Постановка задачи имеет вид: выбрать такую последовательность проверок, при которой затраты окажутся минимальными, т.е.:

, (14)

где С^* - затраты на определение технического состояния объекта; s - порядковый номер возможной условной программы контроля; i - порядковый номер технического состояния объекта; С_is - затраты на определение i-го технического состояния объекта по s-й программе контроля (т.е. затраты на реализацию 1-й ветви s-й программы).

Стратегия, основанная на использовании критерия (14), является наиболее оптимальной, так как строится с учетом самого неблагоприятного в смысле затрат варианта. Стремление учитывать хотя и неблагоприятные, но маловероятные ситуации приводят к затратам. В этих условиях при организации минимаксной стратегии целесообразно взвешивать затраты, связанные с определением каждого технического состояния е_{i -} объекта с учетом его вероятности P (е_i). Тогда минимаксный критерий примет такую форму:

(15)

5. Задача контроля переменных объекта, основанная на методе ветвей и границ, заключается в том, что для начального информационного состояния каждого из последующих состояний выбирается проверка, которой соответствует минимальное (максимальное) значение нижней (верхней) границы оптимизируемой целевой функции. Центральное место при реализации этого метода занимает определение нижней (верхней) границы в каждом состоянии . Благодаря этому, объем вычислений при синтезе программы данным методом значительно сокращается по сравнению с методом динамического программирования, причем синтезированная программа не очень сильно отличается от оптимальной в смысле принятого показателя.

Таким образом, при синтезе условных программ контроля методом ветвей и границ предварительное определение информационных состояний , где ? - информационное множество, не требуется, так как выбор проверок производится "прямым ходом" от начального состояния ко всем конечным состояниям По ходу расчета определяются только те состояния , которые получаются при различных исходах проверок, включаемых в синтезируемую программу. Благодаря этому объем вычислений при синтезе программы данным методом значительно сокращается.

В главе 4 "Структура информационной системы выбора переменных" обоснована необходимость создания информационно-аналитической системы и приведена общая структурная схема централизованного управления природо-промышленной системой (ППС), предложенная в работе Петровой Н.П. и Попова Н. С.

В качестве экологического объекта рассматривается система водозаборных скважин Тамбовского промышленного узла, как наиболее важная составляющая экологической системы.

Определен состав ИАС: ПЭВМ рабочего места диспетчера (ЛПР - лицо принимающее решение), органы управления и контроля, средства связи между объектами и программа управления. Управление осуществляет с использованием SCADA LabView, посредством языка программирования G и ГИС ArcGis для отображения состояния скважин в реальном времени.

В состав аппаратной части системы входят:

Первичные преобразователи ПП - устанавливаются на объекте контроля и предназначены для преобразования измеряемых физических величин (расход воды, давление, температура и др.) в электрические, которые регистрируются.

Исполнительные механизмы ИМ - необходимы в случае, если ИАС (помимо мониторинга тех или иных параметров) осуществляет управляющее воздействие на объект контроля (например, открыть/закрыть задвижку, выключить насос и др.).

Периферийные узлы сбора и передачи данных ПУ - предназначены для получения информации, поступающей с первичных преобразователей, оцифровки этих данных и последующей их передачи в диспетчерскую по каналам связи, а также для управления исполнительными механизмами.

Центральная диспетчерская ЦД - является управляющим ядром системы и служит для взаимодействия с периферийными узлами с целью получения данных, их обработки, анализа и сохранения в базе данных, а также выдачи управляющих воздействий для исполнительных механизмов, установленных на объекте контроля. Режимы работы и алгоритмы функционирования ЦД, а следовательно и всей ИАС, определяются управляющей программой, работающей на компьютере, входящем в состав ЦД.

Компьютерная сеть представляет из себя датчики и компьютеры, связанные через локальную сеть, Wi-Fi или радиомодемы с компьютером ЦД.

На рис.2 показана схема движения информационных потоков, так что данные, получаемые со скважины, такие как химический состав воды, напряжение и давление в трубопроводе, с помощью ПП передаются на ПУ, где концентрируются и передаются в ЦД для дальнейшей обработки на компьютере.

Рис.2. Схема работы аппаратной части системы

Определен список контролируемых параметров и разработана структура базы данных для хранения всех входящих и исходящих значений. Для построения базы данных и сервера использованы возможности программного продукта Microsoft Access.

На рис. 3 показана схема информационной системы выбора переменных контроля экологического объекта, содержащей блоки:

1) базы данных, рассмотренные в данной главе:

условно-постоянная база данных содержит информацию общего характера, нормативные документы, физико-химические характеристики загрязняющих веществ, литологический состав;

картографическая база данных включает электронные карты местности, атрибутивную информацию и картографический архив;

обновляемая база данных содержит периодически обновляемые сведения о расположении, мощности и других характеристиках источников загрязнений, состоянии объекта;

2) выбора переменных контроля экологического объекта;

3) выбора методов распознавания технического состояния экологического объекта - детерминированного, статистического и последовательного;

4) систему распознавания в виде модуля распознавания технического состояния объекта, основанная на множестве проверок р_j контролируемых переменных;

5) блок распознавания технических состояний e_i экологического объекта;

6) пользовательский интерфейс, рассмотренный в главах 4 и 5, предназначен для отображения данных в системах ArcGis и LabView, с целью принятия решений при мониторинге подземных вод.

Рис.3. Схема информационной системы выбора переменных контроля экологического объекта

В главе 5 "Практическая реализация задач" произведены испытания анализов результатов контроля технических параметров контролируемого объекта на основе исследования полученных данных в территориальном центре "Тамбовгеомониторинг" за период с 2004 по 2006 годы.

Процедурная модель поиска минимального числа проверок, располагающаяся в составе информационной системы, представлена на рис.4.

В блоке 1 происходит передача данных из внешних источников в базу данных. в блоке 2 - построение агрегированной модели, в виде упорядоченного множества: . В блоке 3 выполняется составление матрицы различимости по правилу (14), где i, k - номера строк, j - номер столбца таблицы 2. В блоке 4 происходит выбор минимального количества проверок для выполнения условия: и , . Блок 5 - выбор минимального количества проверок, для выполнения условия . В блоке 6 анализируются полученные результаты. Блок 7 - вывод полученных результатов.

Рис.4. Процедурная модель поиска минимального числа проверок

Совокупность общих признаков, характеризующих некоторое множество реальных состояний объекта, назовем агрегированным состоянием.

Оно получается разбиением по определенным правилам всего множества состояний контролируемого объекта на ряд подмножеств.

На основании анализа состояний, включенных в подмножество, формируется агрегированное состояние, в котором в той или иной форме запечатлены общие свойства всех состояний данного подмножества.

Заранее определенные тем или иным способом такие агрегированные состояния выполняют роль своеобразных эталонов для распознавания реальных состояний объекта в процессе его контроля.

В процессе обучения системы получена агрегированная модель объекта, построенная по правилу (13) и представленная в виде таблицы 2.

Таблица 2

Техническое состояние ei	Исходы проверок рj
	р1	р2	р3	р4	р5	р6	р7	р8
e1	-0,9	-1	-0,8	-0,9	-0,9	0,9	0,75	1
e2	1	-1	-0,7	0,9	-0,8	0,9	0,8	1
e3	1	1	-0,8	1	0,9	0,8	0,9	0,9
е4	0,8	1	0,8	- 1	- 1	1	0,8	1
е5	1	1	0,8	0,8	-0,9	0,8	0,85	0,9
е6	0,85	1	0,75	-1	-1	-0,9	-0,8	-0,9
e7	1	1	0,7	1	-1	1	-0,8	-0,9
е8	0,95	1	0,85	1	1	0,9	0,8	-1
Цена проверки с (рj)	5	6	2	3	2	5	6	2

В таблице 2 представлены следующие данные проверки технического состояния в водозаборной скважине Тамбовского промышленного узла:

1) e_{1 -} достижение максимального уровня воды в ВНБ: насос на скважине должен отключаться;

2) e_{2 -} достижение минимального уровня воды в ВНБ: насос на скважине должен включаться;

3) e_{3 -} понижение уровня воды в скважине ниже допустимого (защита от "сухого хода");

4) e_{4 -} отключение глубинного насоса при его неисправности;

5) e_{5 -} состояния насосного агрегата (рабочее, нерабочее);

6) e_{6 -} состояния электрифицированных задвижек (закрыта, открыта);

7) e_{7 -} наличие напряжения в сети (всех фаз);

8) e_{8 -} наличие воды в скважине.

Специальный интерфейс управления водозаборным узлом, показывает величину давления воды в трубопроводе, токи насосов скважин, расход воды, температуру воды и в помещении, уровень воды в водонапорной башне, уровень воды в скважине, состояние электрифицированных задвижек и состояние рабо-ты насоса. С использованием данного интерфейса можно вручную управлять электрифицированными задвижками и глубинными насосами.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

разработана структура базы данных, обеспечивающая хранение информации, полученной от составляющих экологического объекта;

предложенные аналитические и процедурные модели позволили определить набор контролируемых переменных для распознавания состояний функционирования экологического объекта, в основу которых положено использование детерминированного, стохастического и последовательного методов, что позволило обеспечить снижение вычислительных затрат и возможность оперативного принятия решения по изменению режимов его работы;

решена задача выбора программ контроля состояний функционирования экологического объекта по критериям минимума средних затрат, минимаксному критерию, максимума достоверности, что позволило добиться снижения эконо-мических и технологических затрат, обеспечить эффективный процесс опера-тивного принятия решений для изменения режимов работы экологического объ-екта с целью предотвращений аварийных ситуаций и в процессе его эксплуата-ции;

предложенная структура информационной системы выбора переменных контроля объекта, включающая блок выбора методов распознавания технического состояния, блок базы данных, модуль распознавания технического состояния объекта, для передачи переменных в пользовательский интерфейс и позволяющая оперативно собирать и обрабатывать информацию об экологическом объекте с целью оперативного принятия решений.

Список публикаций по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Литвинов, А.А. Использование ГИС-технологий при оценке качества подземных водных ресурсов промышленного узла / А.А. Литвинов, В.А. Немтинов, Ю.В. Немтинова // Вестник ТГТУ, 2005. Т.11, №3 с.625-631.

2. 2. Литвинов, А.А. Информационно-аналитическая система для решения задач мониторинга водозаборными скважинами. / Ю.Ю. Громов, Т.Г. Самхарадзе, А.А. Литвинов // Инженерная физика, секция "Информационные системы", - М.: "Научтехлитиздат", - №6, - 2007, с.123-139

Статьи

3. Литвинов, А.А. Организация контроля состояния технических систем/ Ю.Ю. Громов, А.В. Лагутин, А.А. Литвинов // Информационные системы и процессы: сб. научных тр. / под ред. проф.В.М. Тютюнника. - Тамбов; М.; Баку; Вена: Изд-во "Нобелистика", 2006. Вып.4. - 23-34 с.

4. Литвинов, А.А. Выбор набора технологических признаков для предотвращения техногенных катастроф / О.Г. Иванова, А.В. Лагутин, А.А. Литвинов // Теория конфликта и ее приложения: Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции. Часть II/ Сост. Львович И.Я., Сербулов Ю.С. - / АНОО ВИВТ; РосНОУ (ВФ). - Воронеж: Научная книга, 2006. - 363 с., с.122-133

5. Литвинов, А.А. Распознавание состояний технического объекта (детерминированным подходом) / А.А. Литвинов, Н.А. Земской // Информационные системы и процессы: сб. научных тр. / под ред. проф.В.М. Тютюнника. - Тамбов; М.; Баку; Вена: Изд-во "Нобелистика", 2005. Вып.3. - 67-71 с.

6. Литвинов, А.А. Распознавание состояний технического объекта (стохастическим подходом) / А.А. Литвинов, Н.А. Земской // Информационные системы и процессы: сб. научных тр. / под ред. проф.В.М. Тютюнника. - Тамбов; М.; Баку; Вена: Изд-во "Нобелистика", 2005. Вып.3. - 71-78 с.

7. Литвинов, А.А. Алгоритмическое обеспечение информационной системы для решения задач мониторинга / А.А. Литвинов, А.Ю. Громова, А.А. Митюрев // Вестник Воронежского института высоких технологий, 2007, №2, с.78-85

Размещено на Allbest.ru

...