автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Идентификация источников эмиссии в процессе загрязнения атмосферы

ШВСЬКИИ П0Л1ТЕХН1ЧНИЙ I ИНСТИТУТ

4

На правах рукопису

у - ■

КОВГАР Володшир Борисович

УДК 681.513

1ДЕЗГГИФ1КАЦ1Я ФУНЕЦ1И ДОРЕЛ НЛО.Т ПРОЦЕСУ ЗАБРУДНЕННЯ АТМОСФЕР'»!

05.13.01 - УпрашМння в то^н1чюп? системах

АВТОРЕФЕРАТ дисертацП па здобутгя ученого ступеня кандидата техШчпих наук

Китв - 1994

РГ6 од

') ^ ИР

Дисертац1ею е рукопис

Робота виконана б КиГвському пол!техн1чному !нс.итут!

Нау.ссвий кер1вник - член-кор. АН УкраГни, twrop техн1чних нлук, професор ЗГУРОВСЬКИЯ М.З.

0фЩ1йн1 опоненти: доктор те*н!чних наук ГУБАРЕВ В.Ф. . доктор технИних наук СIЛЬВЕСТРОВ A.M.

Пров1дна уетанова: КиГвський уШверситет

Захист дисертаци в1дбудаться 16 травня 1994 р. с 1Б годин! на зас!даьл1 сиец1ал1зоваьо1 ради Д 068.К.07 в КиГвському пол1тэхн1ч-ному 1нститут1 за адресов:

252056, КиШ, проспект Перомоги, 37, актовий зал головного корпусу.

3 "дасертатею можна ознайомитися в <5!бч1отец1 1нституту. Автореферат роз Iсльиий "

Учений секретар

спеМалюованоТ рада у РСШНЕНКО В.Д.

АН0ТАЦ1Я

Метою дисертацП е створення офектявних мэтод|в розв'язку эворотних задач динам1ки атмосфери - в!дновлекня функцт дкерел забруднзння, що ор!ентован1 на розробку математичного забезпэчеюш автоматиэог эних систем контролю за станом навколпшього соредовища з урахуванням просторового розпод1лу процес1в розповсюдхвння скI дливих домIшок у контрольован!й облает! пов!тряного басойну. Необх!дн!сть ефектиьного розз'язку цих задач обумовлюеться шдвищеникл вимогами до швидкост1 прийняття кер!вних р1шень в системах контролю та управлпшя якЮтю атмосферного повГтря. П!д час розв'язку зворотних задач динам!ки атмосфера мають оратись доувага обменен! мояливост1 ним! рювальних систем.

Для розв'язку сформульовано! загальноГ задач! нвобх!дно:

- виконати анал|з Юнуючих метод|в та п!дход1в до розв'язку зворотних задач матаматичнот ф!зики I, зокрема, визначення характеристик дкерел емЮП газопод1бного забруднювача атмосфери;

- досл1дити проблеми 1снування, единост! та ст!йкост1 розв'язку некоректнях задач !дентиф!кац|т характеристик окремих дкерел ем!с1Т забруднювача, а такоя групи дкерел за м|н1м8лыю-ресбх!дним добором вим1рювалъно! 1нформац1Т;

- розробити алгоритм розв'язку задач; в!дновлення характеристик окрвмого або невелико! груш добре роэр|знкваних тоакових джерел за м!нимально необХ!дним добором вим1рювальйо1 1нформаци;

- розробити алгоритм визначення внеск!в окремих джерел до легального забруднення ггав!тряного ОасвПну коягрольованог облает! (зони посиленого контролю):

- розробити алгоритм |дентиф1кац!I просторево-розподIленоI функц,I дкерел при наявностг обмэяено! к!лькост! точкгчих вгч/рювач1в;

- виконати модиф!кац!ю просторово-розпод!леноТ дкн«м1чно; «одел! процесу розповсюдхвння ш1длишх дом!шок в атмосфер!, що враховуе тополог!чн! та температуря! особливост! контролъованого реПону, а такок особливост! впливу високих даерел ем!с!Г;

- розробити узагал*чюючиЯ алгоритм, що дозволяе оперативно !дентиф!кувати днерела ем!с!1, як! порушують запланований розклад викид!в !цк!дливих газопод!бних речовин у атмосферу контрольованого району (великого м!ста, промислового центру).

Автор захищае.

I. Результата акзл1зу .умов, що забезпечують розв'язнють

некоректних задач I дентифЖац! I характеристик окремих даерел газоподЮно! дом1шки.

2. Метода розв'язання задач ' 1дентиф!кац11 характеристик та визначення внеск!в в загальнв забруднення атмосфери окремих джервл гвзоподЮно! дом!шки.

3. Рвзультати анал|зу умов, що забезпечують розв'язнють кэкорэхтно! задач! !дентиф1кац|I груш даерел газопод!бно! домИпки.

4. Метод розв'язання задач! 1дентиф1кац! I груш джерел газопод!ОноI дом'шки.

5. Комплексний п1дх!д до визначення конкретного винуватця Шдвищеного заору днення атмосфери великого м!ста внасл!док порушення паспортного рекиму викид!в газоподЮного забруднювача.

ЗАГАЛЪНА ХАРАКТЕРИСПГА РОБОГИ

АктуальнЮть проблема. В багатьох промислово развинених кра!нах, в 1ндустр1альних осередках р!вн! забруднюючих вккид1в перевищують величини, до яких мокуть пристосуватися орган!зм людши та б!осферв в ц!лому. В зв'язку з доведениям еколог!чнкх норм до р! вня норм юридачних особливо актуальною е задача своечасного та над!йкого визначе!шя даерела - порушника норм викид!в шк!дливих речовш в атмосферу за даними вим!рювань концентрац! Г дом!шок у атмосферному пов!тр!. В силу р!зних причин - наприклад, зб!льшекня викид!в одного чи к!лькох .даерел, виникнення небезпечних мэтеорологичних обставив, можуть з'являтися висок) р!вн! концентрпц1Г шк1дливоI газоподIбноI дом Iшки в атмосферному пов!трI. 3 цього вияливае необх1дн!сть виявлення джерэл забруднення, виквди яких можна зменшти I тим самим ефективно керувати як!стк атмосферного пов 1тря з метою доведения "вм!сту шк!дливих речовин е повир! до припустимого.

Розробка систем контролю процес!в забруднення атмосфер» шк!дливими газопод!бними дом Пиками пов'язана . з принципов™» пэрешкодами як!сного та к!льк!сного характеру.. П^и цьому вежливо! практичною проблемою е створення ,високоефективних алгоритм! зовант метод!в розв'язання зворотних задач 1дентиф1кац!1 даерел забрудаенш атмосфери. Метода мають використовуватися у . склад! математичногс забеяггечення евтоматизованих систем контролю за станом навколишньог< середовища. При цьсму мае враховуватися просторовий розпод!. ироцес!в розповсюднення шк1 дливоI домишки в коятрольованШ облает пов!тряного басейну та обмекен1 моклизост! вим1рювальних систем

Необх1дн!сть ефективного вир!пення цих задач обумовлюеться Шдвищеними вимогами до швидкост ! прийняття керуючих р1шень в системах контролю за як!стю атмосферного пов1тря.

Методи доел!дження. В робот! використовувались теор1я розв'язаннп некорэктних задач, теор1я оптимального управлшня просторово-розпоц! ленши системами, елементи функц!онального анализу, теор!Т рГвнянь математичноТ ф!зики.

Наукова новизна. Сформульовано сукупнють зворотник задач динам1ки атмосфера, що дозволяе виробити еднний п!дх!д до рогв'язання математично некоректних задач |дентиф1квц|I джерел п1даищ9Н01 атмосферноТ емIсIГ заоруднювача в проблем! конро..ю за станом пов1тряного басейну великого мюта (промислового центру).

Проведена анал!з умов, що забезпечують розв'язн!сть некоректклх задач 1дентиф1кацП окремих джерел шк1дливих газопод!б!Шх домIшок, б результат! чого визначено * вимоги до м!н!мального обсягу вим!рювально1 1нформац!У, що припускав однозначна вир!шення зворотних задач динам1ки атмосфери.

Заиропоновано катод розв'язання умовно коректнкх задач |дентиф1к8Ц!! характеристик окремих даэрел ем!с1Т газопод!бного забруднювача, побудований на використанн! модаф!кованого принципу узагальнегого 31 ,пдилу вибору параметру рэгуляркзац!т. Цей 1..этод в1др!знястьоя ст1йк1стю при наявност! похибки вкм1рювань концентрат г дом!яки до 20% кбез регуляризащ г аналопчна процедура зб1гаетьо! при рья| похибки вим1рювань до 4-5%, при цьому точнють в!дновлэння характеристик ниича в 3-8 раз!в). а тзкож швидкIотними якостями в м!р/ можливост! використання 1ЕВИДКИХ ператворень Фур'е, що дозволяе побудувати ефективний за шЕидкод!ею алгоритм' з використанням лише оперативно! пам'ят! ПЕОМ середньо1 тотужнос.1.I.

Запропоновано метод визначення внеск1в окремих джерел газоподЮноТ дом 1 шки в загальне забруднення атмосфери, що дозволяе одночасно визначати к!льк!сть та характеристики джерел.

Заиропоновано метод розв'язання задач! 1денТиф!кац1I групи дкерел газоподЮноГ дом!шки . за данкми вим(рюванкя концентрат Г дом1шки в скIнчен!й киькост! точок контрольовано! облает), що грунтуеться на використанн! регуляризуючоГ градиентног нроцедури. Метод дозволяе в! дновлювати поле джерел ем! с 1Т з ггохибкею не 0!льша як 15Ж, при цьому швидк(сть зб!жнсс?1 в1дггов1.дного алгоритму к 2-3 рази вгаца, н!ж у аналог!чного, але без регуляризац!5.

Запропоновано комплвкенкй ШДХ(Д до визначення конкретного

вииуьатця п!дыщепого заоруднення атмосфери UHcic.nl док порушоння паспортного рекиму викид|в газопод! Оного заСруднювача в умовах велжого мГста (промислового .центру), шз грунтуеться на розроЯлених в дасвртацИ методах розв'исання згоротних задач динам!ки атмосфери.

Практична ц!ннють роооти полягае в розроощ метод!в, нео(Зл1диих для створошш математичного та ирсграмного заооппочоння систы контролю ст«н.у £тмосф>рн промислових Шдприсмстн, великих м!ст та ггромислоиих ц^нтргч. Над I Пне I сьосчасно виз.чачення характеристик дозрел зосруднюпача дозволить Шдшгдаги офективн! сть дIвчих систем контролю лкост! атмосферного пов!тря, а такок тих, що проектуэтьсн; знизити р!ьемь запру дношш повИря контрольованого району за рахунок застосувлшш сасоб1в с.омнжуючого характеру.

1'оал I зац I я результат!и роГоти. РоЗоту вкконано на кьфолр! математичних метод!в систомного анал!зу КиГуського пол!тох!шчного I петиту'¡.у. Науке Ш доел! джения провалились в моках наукою -доел I дно Т госпдогоы рно i рОбОТК НЬИЭ м|* кигвським прл1т0хничним i нститутом (КП1) та В11Д1Ц "КколоПя" Доржкомприроди СРСР (м.Москва) '"Создания математических моделей, программных средств контроля, прогнозирования окружаетеП среда и цифровой оораоотки данных дистанционного зондирования земной поверхности" (доржагаиЯ реПстратйннП номер 01900064156); держОюдкетнсл теми 0.80.02,31). 01.07 ШльовоГ комплексно? программ ОЦ О.ОО.ОГ. "Разработка методов и программных средств идентификации параметров турбулентной диффузии, определения источников, наиполее влияющих на нарушение допустимых норм загрязнений к оптимально:о размещении стинций в задачах прогнозировании состоянии атмосферы (держания рег1страц1йний номер 01860СС1771П); о тпко»: в м-жах гоепдоговору Я31/У2 м1ж НД1 м1 ждисциплIнарних досл1джеш. М'.Шотерства осп1ти УкраГни при КП! та Iнститутом кЮерпетики 1м. В.М.Глушкова ЛИ УкраТни "Досл!даю1шя процесу розповсюдолшя шк1длпвих дом Iшок у атмосферному пов1тр1" (держащий рогI странШний номер ШЭЧШ^ЬОО!).

Отриман! результат« використано при створснш алгоритм иного та програмного за0езпоче1шя систем контролю стану атмосфори великих м!ст та промислових иентр1в I рнал!зован1 у вигляд! програмшх модулI в у склад! пакету "Мэдолвьання та 1дентиф!кач1й пронес!в зобрудненнн атмосфери". Зазначон! ггоограмн! модул! гпроьаджен! в НопокаховоькЛй м|крб?онн!Я 1нспекцП Державного упр.'^ил;ння з охоронг-навколшньоге природного пг.родовииа по Херсона,« 1й облает!. Пакет

програм, що • м1стать реал!зац|ю деяких матер!алIв диссортац! Г, передано до Казанського ¡{ВО "Кефтепромавтоматика" до рпровадження. ЗагальниГ. економ!чний ефект в1д Епровадження зазначеного програмного заСезпечення отрим.лю за рахунок знижешя витрат на заходи по запоб!ганню эахворюван<~ст1 населения та скорочення витрат на НДР при разробц! ггрограмного забезпзчення автоматизованих систем контролю якост! атмосферного пов!тря I складае 12588 тис. крб.

Апробац1я роб-»ти. Основа! результата допов!далисл та обговорювалися на таких парадах та сем I нарах: но Всесоюзна конференнП "Современные метода и средства автоматического контроля атмосферного воздуха и перспективы их развития", Ки Г в, вересень 1987 р.; на ВсесоюзнШ конфэренц!Т "Использование вычислительной техник:; для решения проблемы охраны окружающей среди в теплоэнергетике", Севастополь, вересень 1988 р.; на мшщоатх науково-техшчних понференц1ях "Молодые ученые в решении комплексной программа научно-технического прогресса стран - членов СЭВ", КиГв, кв!тень 1989 р. I "Приложение компьютерных технологий в производстве", Варна (Болгар(я), листопад 1939 р.; на науково-техн1чн!й конференцИ "Проблем!' промышленной экологии", 1990 р.; ла Всосоюзн!й ноуково-техн!чн1й конференцП "Математическое моделирование в энергетике", КиТв, яовтеиь 1990 р.; на IV м1жнародн1й ноуково-техн1чн1й конфоренШ I "Проблема котлетной автоматизации", КиТв, жовтень 1990 р.; IV Всесоюзна конференц!Т мопди\ доел!дик 1ь "Актуалыше ропросы теплофизики и Физической гидро-газодинвмики", Нойос1б1рск, березень 1991 р.; на науково-тэхн1чн!й конференцИ "Проблемы экологии и ресурсосбережения - Экоресурс-т", Ч9рн1вц1, травень 1991 р.; на микнародному пауковому симпозиум! студент!в та молодих наукових сп!вроб1тник1в у З.Гур! (Польша), кв1тень 1993 р.

Основн! положения, що подаються до захисту:

1. Анал!з умов, що забезпечують розв'язШсть некоректних задач 1д9нтиф!кац! I характеристик окремих джерел газопод!бши. домIшок.

2. Метода розв'язку задач 1донтпф1кац1Т характеристик та визначення внеск!в в загальнэ забруднення атмосфери окремих джерол газоподIбних дом!шок.

3. Акал|з умов, що забезпечують розв'язШсть некоректног задач! !доптиф!кац! Г групп джерел газопод!бних домIтек.

4. Метод розв'язку задач! 1дентчф1кац1 Т групи /ямрол

гязопод!бнюс дом!шок.

5. Комплексний п1дх!д до визначення конкретного винуватц гпдвищеного заЗрудненя атмосфери великого м!ста внасл!док порушенн паспортного рекиму викид1в газопсдЮного зэбруднювача.

Цубл1кац1 Т. По матер! ал« дисертац! ? опублi ковано 17 друковани роб i т•

Структура та обсяг роботи. ДисертаЩйна робота вмПцуе 16 стор1нок тексту, 21 малшок I 7 таблидь, перел1к л!тератури з 15 найменувань. Дисертац!я складаеться з вступу, чотирьох глав висновку, перел1ку л1тератури та додатк!в.

3MICT РОБОТИ

В робот! розглянуто клас процес!в, що в!дбуваютъся в приземном шар! атмосфери при розповсюдженн! в ньому забруднюючих газоподЮни д">м1шок, що викидаються яромислоргми даерелами. Предмете доел !даення в задач! в!дновлення (!дентиф!кац!ï) характернее окремих дкерел заОруднення атмосфера газоподЮними дом Пиками, таков задача В1Дновлення (!дентиф!кац!ï) просторово-розпод!лене функцн - поля ем : с ! I забруднювача при наявност! велико! грул даэрел за обмекеною к!льк!стю вим!рювань стану процег разповсюдження дом!шок в!д цих даерел в приземному шар! атмосфер великого Miera (промислового центру), як! в дан1й робот1 визначек як зворотн! задач: динам1ки атмосфери.

У в1дпов!дност! до методики,'разроблено! Ейлером, пот!к пов!тг в момент часу t характеризуется полем швидкостей u(x,t), тоба значениями складових вектора швидкост! в будь-яких точке х=(х,,х ) декартового простору. Як правило, дом!шка входить пот ¡ к у вигляд! газопод Юного додатку або велико ï к1лькост! -др!б¡a твердих рачовин. При цьому Бона характорязуеться е&леровим пом об'емнот концентрацП q(x,t). В загальнему випадку модель процес juin усереднених значень концентрат ï дом Пики мае вигляд

Ш+ üiv ич>do- = 5x3w §x3+ ,х3ч (]

хвКЯ\ t6tO,T], S - бокова поверхня П, де Л - оператор Лапласа; u.i^ - вектор швидкост! в!тру та й01 проект я на нормаль до S; fi.vX) - в!дпов!дно горизонт а льний : верттаальний коеф|ц!енти дифузИ, d - коеф!ц!ент поглинання домпш« з початковими q-qQ при t=0, та граничними умовами

q=qs при ип<0, dq/On-Q при u^O, гэ S ' ■

бц/ах3=ая при =0, дц/дхг=0 при х3=Н. В багатьох випадках, при розв'язанн! практичних вадач, в дсц|льним використання двокс,ирного наближення тривим!рноГ модел! процесу разповсюдкення домлшки в атмосфер!, як1 можуть бути отрим..ч! з (I). Анал!з показав, що в результат! усореднення по висот! двовим!рна модель процесу забруднення атмосфер;! газопод!бною дом1шкою д набуде "вигляду при хеПсН2, геЮ.'Л ^ <9и а Зи а <

сГГ + ~дх~ + + = + и (2)

1 2

Я=Я0 при г=о.

д=дв при ип<0, aq/an-0 при Пд^О на 50,

ФункЩя описуе деяке пола розшд1лених га зосерздкеглх

джерел емЮП. В загальному випадку поле джерел ем!сп забруднювичз мае досить складний вит ляд, *0о поеднуе зосереджен! джерэла, що роблять .викиди в р!эн1 момента часу, безперервно функцюнуюч! зосереджен! джерела, безперервно функцюнуюч! поверхнев1 джерела, а такс»; лIнIйнI безперервно д!юч! джерела.

Однак для окремге Ешгадк!в при розв'язанн! задач! |дентиф!кац1 г характеристик одиигкшх джерел забруднення атмосфери, виявляеться зручною мгтематична модель процесу в 1нтеградьн!й форм!

т

q(x,t) = / / 0(х,{.1,т)Г(5,а)<1{йг, (3)

о Л

де о •• функц!я Гр!на задач! (2) при виконанн! вс1х умов, як! гараитують рьгуляркють О.

Як для б Iльшост! зворотних задач математичноТ фI янки математична постановка зворотних задач динам1ки атмосфери е некоректною в класичному розум!нн1, тобто при 1х розв'язанн! горушугться якась з умов: розв'язок 1снуе для будь-яких початкових даних; р1иення е единим; розв'язок е ст!йким, тобто \.алим зм)нам в рееструючих функцЮналах в1дпов!дають мал! зм!ни в розв'язках задач. Для розв'язання зворотних задач динам1ки атмосфери застосовувався п1дх!д, сю грунтуеться на тесрIТ регуляризац!I Тихонова. Перевагою такого п!дходу е можлив!сть отримакня строго розв'язку ¡да суттево некоректних задач, шо виникають при постанови! зворотних задач данам 1кя атмосфери. У в1дпов!днсгт! з ¡дам подходом оформульовано узагальнену постановку зворотпсТ задач! дкнпм!ки атмосфери: -побудувати наближэне р!шення £

Al = q(x,t),qeQ, t€P, x € О с Rn; (4)

(F,Q - Пльбертов! простора; A - оператор задач I) за заданим набором даних iAjj.qg.T)), t)=(e,h), де £>0 - поиска завдання q, тобто |qg-q|<0, q=Af, A,Ah - опэратори, що дЮТь з Р в Q, причому I - точив р1иення задач!,' що в!дпов!дае

точному значению кондентрац! I дом1шки q, яке м!ним!зуе функцюнал:

Ma[ri=|Ahi-qa|J+ a|f|3. (5) .

При цьому виб!р параметру регуляризац!I зд)йснзоеться на основ! модиф!кованого принципу уэагальненого в!дшпу

pT)(a)=|Ah4|-qcr-(CS+h|i^|)J. (6)

чисельна реал!зац1я якого на потребуе обчислення м!ри несумюност! р!вняння Af=q з наближеними даними, !, в|дпов!дно, визначення похибки IT заздання.

У дисбртаци розв'язано задач! !дентиф!кац11 характеристик окремих даерел забруднення атмосфери, як! е окрамими випадками такоТ загально! постановки.

3 метою м!н!м1зац!1 к!лькост! вим!рювальноТ 1нформацП. необх!дно1 для однозначного визначення характеристики проведено досл'да^ння умов розв'язност! в1дпов1дно1 некоректноГ задач!. В робот! показано, цо при визначенн! координат х° розмицення окремого (точкового) даерела ем!с|I-I(x,t)=f(t)a(x-x0) забрудюоючо! дом!шки в даовш 1рн1й просторов!й облает!, в я^ост 1 м1н!мально1 1нфэрмац!Т приймчються значения концентрацИ цом1шки, що вим1рюються в момент часу 1 "в 3-х точках. Доведено в1дпов!дну теорему. Teopeua I. Хай задано нев!д'емну неперервну ф^нкц!ю Г(t)* Т>0, xleRJ,l=TT3 - три р!зн! точки, що не лежать на одн!й прям!й: x1g lx3,x3l и xL«°, ql - вим!ри концентрацИ в цих точках.

Тод! розв'язок х° зворотно! задач!

q(xL,T) = /С-(х1,х|',Т-т)т\т:>сП.

о , , _

при додатков!й умов! q|t_a=q0, q(x ,T)=q\ 1=ГД е единим.

В реальн!й ситуацп при розв'язанн! практичних зад; ч визначення джерела, що не додеркуеться паспортного режиму викид1в Шдприемства, характерною е така ситуац!я. Розташування х° джерела в I доме, несЗх!дно Енайти 1нтенсивн!сть функцюнувагая джзрела Г < t), у ириэденш, що i(t) нрчежть до класу недарервних функг'й. В цьому вииадку-виявляеться в!рною

Teopeua 2. Хай í(t) - натарврвна обмежена функц1я 1 x,,x°€RJ -ф!ксован| точю! шющини х1«0. Тод! розв'язок í(t) зворотно! задач!

q<x\t) = J 0<х1.х°.1-т)Г(1)(П, 0 i

при додатков1й умов! е единим.

Враховуючи специф!чннй вигляд р!вняння, що пов'язуе q(x',t) з !нтенсивн1стю джерела Г ft) для розв'язання умовно коракгаог задач! |двнтиф1кац!I f(t) за м!н1мальною |нформац!ею про стан процесу застосування первтворень Фур'е дозволило побудувати еГэктивний за швидкод!ею алгоритм, використовуючи лише оперативну пам'ять ПЕОМ середньо! потужност!.

OckIльки вх!дн1 дан I мають яохибку, то. розглянут! в умовах теорем задач! також мокуть виявитись несум!сними, або такими що мають б!льше, н!ж один розв'язок, тобто поставленими некоректно. Отримати fx ст1йк/Л розв'язок виявляеться моюшвим за допомогою застосування наведеного вице методу, що грунтуеться на принцип! регуляризац!Г.

В дисертаци розв'язано задачу одночасного визначлшя к1лькост! окрепли дкерел та 1дентиф!кацп 1х характеристик за м!н1мально необх!дним добором вим1рювальноГ !нформац!1. Метод розв'язання задач! в так 1й. постанови! грунтуеться на теорем!, що е насл!дком теорем I и 2.

Теорема 3. Хай Xs, з=1',3, х8«0 - ф!ксован! точки шющини, що не лежать на одн!й пряШй. Тод! розв'язок задач! одночасно! 1денти-ф!кац11 характеристик точкового джерела х° и í(t) визначаеться единим чином з постановки додаткових умов q(x' ,t)=y(t) та q(x8,T)=yB,s=2,3;T>0 в р!вняння зворотноГ задач!

q(x,t) = J G(x,x°,t-t)í(t)dt. а

Кр1м того, в дисертацИ розглянуто задачу !дентиф!кац| г характеристик окремого джерела, розпод|леного в деяк!й облает! простору.

В робот! запропоновано алгоритми, що реал1зують метода розв'язку умовно коректних задач 1дентиф1кац11 характеристик окремих джерел, що в!др|зняються ст!йк!ств при наявност! похибки вим!рювань концентрат I дом1шки до 20% (без регуляризац!I аналог iчна процедура зб!гаеться при р|вн! похибки вим!рювань до 4-5Ж, при цьому точшеть в(дновлення характеристик нижча в 3-8 раз!в).

В умовах м!ста (великого промислового центру) при наявноетI

велико! к!лькост! р1знотшювих джерел ем!сП забруднювача не менш важливою е задача локализацП за даними Юнуючо! мерек1 стацЮнарних контрольно-втпрювальних станц!^ групп джерел, що включав ймов)рного ьинуватця шдвищеного забрудненя або, 1ншими словами, зоки, що Шдлягае посиленому контролю для остаточно! ■ !.дентиф!кац! * конкретного джерела ьикидIв. В дисертац! ¡' розв'язано зворотну по в!дношенню до прнмог задач! моделювання задачу !дентиф1кац!I тако! груяи • джерел як просторово-розпод1лено! функцП-поля ем1 с11 забруднювача, яку такой поставлено математично некоректно в класичному розум!нн1. Наведена задача розв'язуеться з застосуванням теор!Г 1дентиф!кац! I систем з розпод1лениш параметрами. При цьому проведено досл!дкешя умов УТ розв'язност! з метою введения в клас умовно коректних задач. Доведено в'!дпов! да! теорем, що визначають умови Юнуваннн, единаст! та ст!йкост! розв'язку 1(х,1;) зворотно! задач!.

В результат! встановлено, що наступна постановка буде коректною за Тихонович:

- для процесу розповсюд^^ння дом!шки

Ад-Г=0, (7)

АО • (^Кк-М^МН00

визначити так1 значения Г поля ем!с! 5 забруднювача, як! доставляхяь

м!н!мум критер!ю якост! ¡дентиф!кац!Г (по вим 1 рам у)

Т

1 = (8) оП

при умов!, що !дентиф1кац!я зд!йснюеться на

Р = (Г;я) - зв'язан1 сп!вв!дношенням (2); асДхДХр

¥(х,1;)вЫ0.Т], а>0, q(x,t)>0, ¥<х,г)вЫО,Т], Оц/в1/0),

направлении перебором його елемент1в, використовуючи для цього гоад!ентну процедуру

Гк'1=Гк-а1''ь£. , (9)

(к - номер !терац!1) при в!дпов1дному вибор!

ак. Град!ент критер I ального функцюнала Ь^(хД), отриманого в резул тат| використання методу множник!в Лагранма, що дозволяе ввести початкову задачу м!н!м|зац!Г функцюналу (8) при обмеженн! (V) до задач! Оезумовяо! м!н!м1зац(Г лагранжиану

МГ.Ч.р) =■• Л + (Ая-Г.р), (10)

знаходиться за допомого» спряжено! зм(нно! p(x,t), що задов!льняе коректн!й спряжен1й задач!

-i - .¡Дч^ = 20(y-q) (И)

з в1 дпов1днкми початковимя та граничит/и уювами, отриманоГ з застосуванням пршщш)в класичного вар!8Ц)йного числення при Еар!ац(1 функцюналу (10) по q. Вираз для пох1дно'1 (10) по i мае вигляд

= -p(x,t). (12)

В дасертац!)' запропоновано алгоритм 1дентиф!кац1 Т поля потужностей дкерел за обмеженим добором данях вим1рювань, що мають похибку до 30%, що грунтуеться на застосуванн! град!ентно! процедури (Э). Обчислювальн! експерименти показали високу зб!кн!сть та ст!йк1сть алгоритму в умовах неточного завдзння вкм!рювальна1 1нформац1Т. Зокрема, при наявност! 20-30%-BOi похкбки вим!рювакь Aq полэ ггстукнсстай джерел в! дно вливалось 1з похибкою At 5-11%, що дозволяе однозначно вирШшти проблему локал1зацп зони посиленого контролю, а;о охоплие групу джерел, яка м!стить винуватця п!двищвноТ ем!eil забруднювача (аналог!чна процедура без регуляризац!I зб!гаеться при р!вн! похибки вим!рювань Aq до 10%, при цьому точн1сть в!дновлення функц!Г г нияча в 3-5 раз!в).

В робот! резглянуто питания оптим!зац!Г вш!рювальноТ системи -м!н!м1зац|1 числа вишрювань, достатнього для однозначного розв'язку зворотно! задач! 1дентиф!кац!I поля джерел ем1с!Г. Проведено модиф!кац!ю математично! модел! процесу розповсюдкення дом!шки в атмосфер! м!ста, що вклвчае модиф!кац!ю поля в!тру, враховуе топограф1чн! та тешературн! особливост! мюцевост!, а також модиф!кац!ю поля дом!шки поблизу високих джэрел.

^езроблен! в дасертац! г алгоритми (дентифЖац! г дкерел забруднення поеднуе запропонований автором комплексний п!дх!д до визначення за данними оперативного контролю "тану якост! пов!тряного басейну великого м!ста (промиславого центру) конкретного винуватця п!двгаценого забруднення атмосфери внасл!док порукення ним паспортного режиму викид!в ишдливот дом!шки. П!дх!д передбачае поел.давне розв'язання задач: локал!зац!1 зони пошуку винуватця Шдвшценого забруднення атмосфери; поточне нормувакня гранично можливих викид!в забруднювача; влзначення списку потенц!йких порушю!к1в паспортного рекиму викид!в; уточнения списку 1горуаник;в;

ви01р комплексу за/лстник заход!в шодо запоб!гакня з<5итк1в в!д заоруднепня. Застосування в!дпов!дно1 процедури в систем! автоматизованого контролю за станом забруднення атмосфери нвселеного пункту дозюляе оперативно 1д9нтиф1кувати конкрвтного винувагця порушення чаопортногс режиму ыпшд1 в газопод!бного. забруднювача I прийняти орган 1зац!Пне р'шошя щодо запобI гання можливих збитк1в.

Роггляпаот1г':я проблзки ггрограмноГ р<эал!Зс.цП' алгоритм!в, що побудомн! на основ! рьгроолених в дисертацП метод!в. Ц! проблеми пов'язаШ з в! дносною склада! стю ц1е1 задач1.

3 дисертап!Г наведено приклад 1дентиф1кац11 поля дкарзл м.Киева за ди1ми вш1рюр\чь концентрат Г окисл I в азсту стацюнартглн кон-^рольно-втИрювальними станц!ями, що дозволило локал!зувати зону посильного контролю для проведения додаткових вим!рввань з ктж визначення конкретного даерела тдвюценого забруднення.

Результата, отриман! в дасертацИ, реал!зовано у вигляд! програмшх. модул I в у склад! пакету "Моделювання та 1дентиф1кац!я процес1г" сп^р.у.лення атмосфери". Загальний економ!чний ефект В1Д впровадаення зазначеного програмного забезпечення отршано за рахунок зниження витрвт на заходи по запоб!ганню захворюваност! населения та скороче1шя витраг на НДР при разробц! програмного забезпечення автоматизованих систем контролю якост! атмосферного пов!тря I складас 12588 тис. крб. (вересень 1993 р.).

0СН0ВН1 РЕЗУЛЬТАТ» I ВИСНОВКИ

1. ССормульовано сукупн!ст1 зворотних .задач динам!ки атмосфетм, розв'язання яких иеобх!дне для виконання загально! задач! визначення конкретних джерел Шдвицечого забрудненя пов!тряного басейну великого промислового центру. Анал!з загально! задач! дозволив вид!лити як сомнет ИЫ математичн! задач! !дентиф!кац! Г характеристик окремих джерел забруднення атмосфери газопод!бними дом|щками, а такок задачу !дентиф!кац! ■ гоупи джерел забруднення за обмежзною к1льк!стю вим!рювань стану процесу разповсюдкення дом I шоп в!д цих джерел ь приземному шар! атмосфери великого м!ста. Обгрунтований виб!р математичного зпарату з урахув-'.ыы;. некоректност! математично! постановки цих задач.

2. Проведено анал!з умов, що забезпечують розв'язн1ст! некоректних задач 1дентиф1кьц!I характеристик окромих джepeJ шк!длИвих гэзоподЮнчх домIшок, в результат! чого визначен- вимоге

до м!н!мального обсягу вим!рювальноТ 1нформац11, що припускчг однозначн1сть розв'язання задач 1лен7аф1кац1г 1нтвнсивност1 м координат дкерела кк окремо, ток I при одночасному виэначенн! них характеристик.

3. Запропсноаьно ¡мтод розв'язання умовно корактних зякач |дентиф1кац| I характеристик окремиз даэрэл еы!с1Т газоподЮнлго забруднювача, побудования на нккорист&нч! моякфп.данного принципу узагальнено! нев'язки вибору параметру рвгуляризаци. Цвй в!др1зняеться 'ст1Ик1стю при наявност! похибки «им|ршзнь концентрат I дом!тку до 20$, а такок ивидк!стними якоетями за рахунок моклнвост! використянни швидких перетмрень 'урьо, и,о дозволяв побудувати ефективний за ивидкодиш алгоритм. Рсяроблон^ метод визначення вкеск1в округах джерел газопод!бно! дгшшкг в загальнв забруднекня атмосфери, до Д'зволяе воднсчас визначачи К!льк1сть та характеристики дж?р»эл.

4. Проведано анал!з умов, во забвзпечують розв'язч!ст»1 никоректнот задач! 1дэнтиф1Кац1 Т груга! дкарел мзо.чод! йкс! домипки. в результат! якого визначено ветмги до роэробкя методу И рсзв'яэанкя.

б. Запрспоксвлно метод' розв'язання умонно корэктно! задач! |дентиф1кащ I групи дхврол газоподЮно! домпзки за д»ними вим!ргванля концантрац!! дом!еки в скичен!й к1 .".ькост! точек контрольсваноТ облает!, ¡до грунтуеться на вгасористаннI градиентноТ прэцедури. Метод дезволяе Ыдновлюпатй полэ дхгарел ом 1 с11 з похябкою не б!лысо як 15?.

С. Запропоиовано комплексниЯ п!дх!д до визначення конкретного винуратця Шдвиценого забрудненя атаосфери инасл!док поруаегая паспортного рекиму вккяд!в газопод!бного звбруднювача в умовах вел.жогс М1ста (промыслового центру), що грунтуеться на розроблених в дисертацп методах роэв'язагшя эворогша задач дянемпот атмосфврк. Программа рбал1зац!я основних етап1в Шел процедури використовувалася для |денткф!кац!1 дкерел М.Киева, що дозволило лакалIзуваги зону посиленого контролю для проведеня додаткових вим!рювакь з метою (визначення конкретного вкнуватця Шдвищеного забруднення. Еко.чом, чниЯ ефе.чт в!д впровядаення зазначеного програмного яабезпечення отримано га рахунок знкження Еитрат на заходи по запой!г«пню захворшаност1 населения та скорочення витрат на НДР при рчзребц! програмного забезпечпння автематизовани* систем контролы якост! атмосферного поШтря.

ОСНОЗНШ SM IGT ДИСЕРТАЦП ВЮШАДЕНО В РОБОТАХ:

1. Згуровский М.З., Селин А.Н., Пармасте И.Л., Ковгар В.Б. Методы автоматического прогнозирования процесса распределения газообразных примесой/УСоврешнные метода и средства автоматического контроля атмосферного воздуха и перспективы их развития: тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. -Киев: ВНШАЛ, 1937. -С.56-57.

2. Згуровский М.З,, Власюк А.Г., Пармасте И.Л., Селин А.Н., Ковгар- В.Б. Об одном подходе к решению задач контроля качества окружающей среды // Использование вычислительной техники для решения проблемы охраны окружающей среда в теплоэнергетике: тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. -Севастополь, сентябрь 1938. -Киев: ИТТФ АН УССР. 1988, ч.2, -C.I23-I24.

3. Ковгар В.Б. Построение прогнозирующих алгоритмов процесса загрязнения атмосферы на основе комбинированного подхода // Разработка автоматизированных систем управления: материала 2-й межреспубликанской науч.-техн. конф. Киев, ноябрь 1988, -Киев: Деп. в УкрНИШГГИ, 04.04.89, Й 998 -Ук89.

4. Гавлович П., Косгар В.Б. Метода прогнозирования и контроля распространения вредных примесей в атмосфере // Международный научный симпозиум студентов и молодых научных работников, т.1. Строительство и охрана окружающей среды, Зелзна Гура (Польша), 1989. -С.154-158.

5. Селин А.Н., Човгар В.Б. Методы оценивания параметров источников газообразной примеси в атмосфере // Тезисы докладов международной науч.-техн. конф. "Молодые ученые в решении комплексной программы НГП стран-членов СЭВ" 19-22 апреля 1989, Киев, -1989, -С.206-207.

6. Гавлович П., Ковгар Е.Б. Алгоритм оптимального размещения измерительных датчиков в системе контроля состояния атмосферы // Тезисы докладов международной науч.-техн. конф. "Молодые ученые в решении комплексной программы НТП стран-членов СЭВ" 19-22 апреля 1989, Киев, -1989,.-C.I9I-I92.

7. Селин А.Н., Ковгар В.Б., Гавлович П. Мэтоды прогнозирования, оценивания и идентификации в машинных системах контроля загря"нения атмосферного воздуха // Международная молодежная научная сессия // "Приложение компьютерных технологий в производстве", Варна, 16-19 ноября 1989. Деп. в ЩШТИ-ЦН'ГБ -София (Болгария).

8. Власюк А.Г., Згуровский М.З., Ковгар В.Б., Селин А.Н. Прогнозирование и контроль загрязнения атмосферного и всдного

бассейнов / Науч.-техн. отчет // Каф. ММСА КШ: Киев, 1989 -71 с. ВНШНТИ * 0290.0 038247.

9. Згуровский М.З., Селин А.Н., Ковгар В.В. Разработка математических методов и программных средств идентификации параметров турбулентной диффузии и оптимального размещения контрольных станций в задачах прогнозирования состояния атмосферы / Науч.-техн. отчет // Каф. гаид КПИ: Киев, 1989 -29 с. ВШШТИ * 0290.0 042142.

10. Згуровский М.З., Новиков А.Н, Селин А.Н., Ковгар В.Б. и др. Создание математических моделей, программных средств контроля, прогнозирования состояний окружающей среды и цифровой обработки данных дистанционного зондирования земной поверхности / Науч.-техн. отчет // Каф. ШСА КПИ: Киев, 1990 -83 с. ВНИШГГИ Л 02.9.10 033231.

11. Згуровский М.З., Селин А.Н., Новиков А.Н, Ковгар В.Б. и др. Разработка методов и программных средств идентификации параметров турбулентной диффузии, определения источников наиболее влиящих на нарушения допустимых норм загрязнения и оптимального размещения контрольных станций в задачах прогнозирования состояния атмосферы / Науч.-техн. отчет // Каф. ММСА КПИ: Киев, 1990 -29 с. ВНИИНГИ Л 02.9.10 032673.

12. Ковгар В.Б., (.Селин А.Н. Идентификация опасных источников выбросов по данным измерения концентрации загрязнителя в' экологических системах // Труды IV мевдународной науч.-техн. конф. "Проблемы комплексной автоматизации", Киев, 17-20 октября 1990,

, т.З, с.163-167.

13. Ковгар В.Б. Определение интенсивности и расположения источников загрязнения атмосферного воздуха // Всесоюзная науч.-техн. конф. "Математическое моделирование в энергетике", Киев, 23-25 октября 1990, Т.З, С.32-33.

14. Ковгар В.Б., Селин А.Н. Идентификация функции источнысов в динамических системах с распределенными параметрами / Сборник трудов IV Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" 27-29 марта 1Э91, Новосибирск, ИТ СО АН СССР, 1991. -С.Ш-П2.

15. Ковгар В.Б. Определение параметров источников загрязнения атмосферного воздуха / Груды науч.-техн. конф. "Проблемы экологии и ресурсосбережения - Экоресурс-1", 20-24 мая 1991, Черновцы, т.2, с.25-26.

16. Ковгар В.Б., Селин л.II. Математические метгдн определения

характеристик виновников загрязнения атмосфера Н Вестник Киев, политехи, ин-тя. Техническая кибернетика. -К¿ев. -1992. -Вып. 16. -С.48-52.

17. Ковгар Н.Б. Обнарукениэ источников повышенной эмиссии гчзооОралного загрязнителя в втаосфвру // Международный научный симпозиум студентов и молодых паучных работников, т.1. Строительство и охрана скружявдей среда. Зелена Гура (Польпа), 1993. -С.74-78.

/

Лдп.до ль«:./ 20.10.¿4. ¿'и [ дгук.арк. 1 ираж 100 прим. оам.ШУ