автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование систем автоматизированного управления и контроля состоянием экосистем

Введение

Глава 1. Окружающая среда как объект автоматизированного управления.

1.1 Основы системного подхода.

1.2 Закономерности поведения сложных и больших систем

1.3 Принципы системного подхода.

1.4 Понятие об интеллекте.

1.5 Категории управления.

1.6 Акт принятия решения.

1.7 Математические схемы моделирования.

1.8 Последовательность разработки моделей и их машинная реализация.

1.9 Машинный эксперимент и интерпретация результатов моделирования.

Глава 2. Характеристики окружающей среды как объекта управления.

2 .1 Понятие об экологической устойчивости развития.

2.2 Математические модели переноса примесей в атмосфере и океане.

2.3 Математические модели процесса миграции загрязнителей в подземных водах.

2.4 Математическая модель качества воды.

Глава 3. Исследование характеристик системы информационного обеспечения АСУ охраной окружающей среды.

3.1 Цели и задачи обработки экологической информации.

3 .2 Выбор рациональной структуры вычислительной сети.

3.3 Локальная вычислительная сеть как система массового обслуживания.

3.4 Исследование характеристик одноканальных ЛВС.

3 .5 Исследование характеристик многоканальных ЛВС.

3.6 Приближенные оценки характеристик ЛВС.

Глава 4. Исследование ЛВС с приоритетным обслуживанием.

4.1 Понятия о приоритетном обслуживании.

4.2 Исследования очередей процесса обслуживания на периоде занятости.

4.3 Процесс разгрузки сервера.

4.4 Дисциплины обслуживания с абсолютным приоритетом.

Повышенный интерес в настоящее время к управлению окружающей средой связан с правильным пониманием серьезных последствий нарушения ее качества. Это, прежде всего, загрязнение воздуха, воды, истощение природных ресурсов. .

Вопросы управления внешней средой решаются пока неэффективно и здесь можно выделить следующие основные причины: отсутствие необходимой информации для лиц, принимающих решения, неадекватность используемых данных, неопределенность и трудности установления причинно-следственных связей между критериями оценки окружающей среды; наличие ошибочных мнений о невозможности применения аналитических методов в исследованиях.

Основной вопрос, который решается при управлении - это получение достоверной информации и в необходимом объеме. Этому посвящены исследования многих ученых и, прежде всего, следующих; Гаскарова Д. В., Гавича И. К., Вавилина В. А., Доданова А. Г., Иванищева В. В., Новоселова О. Н., Фомина А. Ф.

Однако применение локальных и распределенных вычислительных сетей для сбора, обработки и передачи информации о состоянии экосистем исследованы еще недостаточно, что сдерживает их практическое использование.

Значительно меньше исследований по вопросам управления состоянием окружающей среды. Публикации по итогам этих исследований носят частный характер и поэтому весьма проблематично их использование в более общих случаях, например, в масштабах региона. Здесь необходимо отметить, прежде всего, груды следующих ученых: Гурмана В. И., Моисеева Н. Н., Тарко А. М., Поспелова Д. А., Сомова А. И.

В диссертации с позиций системного подхода решаются задачи получения информации и задачи управления экосистемой.

Получение информации о состоянии внешней среды связано с некоторыми особенностями, которые состоят в следующем:

- наличие большого количества точек съема информации;

- рассосредоточенность точек контроля;

- неоднозначность информации, снимаемой даже в близлежащих точках;

- ограниченность возможностей контроля;

- необходимость первичной обработки некоторого объема информации непосредственно на месте ее получения;

- передача информации на значительные расстояния;

- преобразование информации для последующего принятия решения об управляющих воздействиях;

- защита информации от несанкционированного доступа, связанного с незаконным ее использованием и изменением.

Перечисленные особенности получения и преобразования информации налагают определенные трудности на выработку управленческих решений. Поэтому в диссертации основное место уделено вопросам получения, обработке, передаче, хранению и использованию информации для выработки управлений экосистемой.

В связи с этим целью исследований является использование методов системного подхода для анализа экосистем выявления закономерностей лежащих в основе функционирования экообъектов, получение характеристик и структуры системы информационного обеспечения автоматизированной системы управления окружающей средой.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные вопросы:

- с системных позиций производится качественное исследование окружающей среды как объекта автоматизированного управления;

- вводится понятие экологической устойчивости, производится исследование ее основных свойств и характеристик;

- разрабатываются математические модели переноса примесей в атмосфере и океане, миграции загрязнителей в подземных водах, качества воды, на основе которых анализируются вопросы информационного обеспечения процесса управления экосистемой;

- создается рациональная структура информационной вычислительной сети;

- производится исследование информационной вычислительной сети как системы массового обслуживания с бесприоритетным и с приоритетным обслуживанием;

- разработаны рекомендации по использованию результатов исследований в АСУ окружающей средой.

Предметом исследований является информационное и алгоритмическое обеспечение автоматизированных систем управления состоянием окружающей среды. Исследования проводятся на основе анализа информационных характеристик математических моделей переноса примесей в атмосфере и океане, миграции загрязнителей, качества воды.

Решение поставленных вопросов производится на основе системотехнических позиций, что позволяет с большей объективностью учесть влияние окружающей среды, взаимозависимость критериальных оценок, получаемую информацию для принятия эффективных решений.

Новизна исследований состоит в комплексном подходе, связанным с учетом основополагающих факторов, влияющих на экологическую устойчивость, на объективность получаемой информации для управления экосистемой. Получены новые результаты по исследованию параметров, влияющих на устойчивость экосистемы к внешним воздействиям отличающиеся адекватностью реальным процессам, предложены теоретические подходы к выбору рациональных структур систем получения и переработки информации.

Разработанные методические положения, математические модели, способы выбора рациональной структуры вычислительных информационных сетей внедрены в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций при проведении учебного процесса, а также в Инпроектречтрансе в исследовательских и проектных работах.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований характеристик окружающей среды как объекта автоматизированного управления.

2. Методика выбора рациональной структуры вычислительной информационной сети.

3. Закономерности, лежащие в основе управления параметрами окружающей среды.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Научно-методической конференции СПГУВК - 98;

- Международной научно-технической конференции "ТРАНСКОМ - 99" , октябрь 1999 г., г. Санкт-Петербург;

- На кафедральных семинарах "Математическое моделирование сложных систем".

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,

Основные результаты работы внедрены а АООТ "Инпроектречтранс" и АОО Канонерский судоремонтный завод г. Санкт-Петербург.

Заключение

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. С системных позиций произведено исследование окружающей среды как объекта автоматизированного управления, что позволило:

- найти наиболее удобные формы представления информации для принятия решения об управлении экосистемой;

- определить причинно-следственные связи между критериями параметров окружающей среды;

- предложить методики применения аналитических методов в исследованиях данных объектов.

2. Введено понятие экологической устойчивости, на основании чего выполнено следующее:

- разработана математическая модель оценки степени экологической устойчивости;

- выполнено исследование устойчивости в зависимости от изменения параметров внешней среды.

3. Исследованы математические модели процессов, происходящих в окружающей среде и влияющих непосредственно на ее качественные показатели:

- модель переноса примесей в атмосфере и океане;

- модель миграции загрязнителей в подземных водах;

- модель качества воды;

- получены характеристики необходимого объема информации для использования в АСУ.

4. Созданы методики разработки и создания рациональной структуры вычислительной сети, предназначенной для получения, переработки и передачи информации о параметрах окружающей среды.

5. Разработаны рекомендации по использованию результатов исследований в автоматизированных системах управления окружающей средой.

1. Акулич Н. J1. Математическое программирование в примерах и задачах. М.: Высшая школа, 1993. с.336.

2. Альянах И. Н. Моделирование вычислительных систем. Д.: Машиностроение, 1988. с.221.

3. Арнольд В. И. Теория катастроф. М.: Наука, 1990. с. 128.

4. Бакаев А. А., Костина Н. И., Яровицкий Н. В. Имитационные модели в экономике. Киев: Техника, 1982. с. 176.

5. Беленький А. С. Исследование операций в транспортных системах. М.: Мир, 1992. с.584.

6. Бреховских С. М. Основы функциональной системологии материальных объектов. М. Наука, 1986. с.250.

7. Бусленко В. Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. с.239.

8. Бусленко Н. П., Калашников В. В., Коваленко И. Н. Лекции по теории сложных систем. М.: Сов. радио, 1973. с.440.

9. Бэрри Нанс. Компьютерные сети. М.: Бином, 1996. с.400. Ю.Вавилин В. А., Циткин М. Ю. Математическое моделирование иуправление качеством водной среды/ Водные ресурсы. 1977. №5 с.34-40. И.Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1962. с. 564.

10. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1991. с.384.

11. Винтер Р., Винтер П. Microsoft Office для Windows' 95 в подлиннике. СПб.: BHV, 1998. с. 1000.

12. Вихров Н. М., Гаскаров Д. В., Грищенков А. А,, Шнуренко А. А. Управление и оптимизация производственно-технологических процессов. СПб.: Энергоатомиздат, 1995. с.303.

13. Власов Л. В., Колесников Д. Н., Сорокин И. А. Имитационное моделирование систем массового обслуживания с использованием GPSS. Л.: ЛПИ, 1989. с.87.

14. Воеводин В. В. Математические модели и методы в параллельных процессах. М.: Наука, 1986. с.296.

15. Воропаев Г. В. и др. Моделирование водохозяйственных систем аридной зоны СССР. М. Наука, 1984. с.312.

16. Вунш Г. Теория систем. М.: Сов. радио, 1978, с.288.

17. Гавич И. К. Методы охраны подземных вод от загрязнения и истощения, М.: Недра, 1985. с.320.

18. Глущенко В. В. Информационные и структурные модели организационно-административных систем. СПб.: СПГУВК, 1997. с.232.

19. Гольдин В. Я., Налипкин Н. Н., Шишова Т. В. Нелинейные разностные схемы для гиперболических уравнений/ Выт. мат. и мат. физ., 1965, т.5, №5.

20. Горстко А. Б., Домбровский Ю. А., Сурков Ф. А. Модели управления эколого-экономическими системами. М.: Наука, 1984. 117с.

21. Демиденко Е. 3. Линейная и нелинейная регрессия. М.: Статистика, 1981. с.300.

22. Додонов А. Г., Клещев Н. Т., Клименко В. Г. Анализ отраслевых вычислительных сетей. Л.: Судостроение, 1990. с.255.

23. Драмонд М. Методы оценки и измерений дискретных вычислительных систем. М.: Мир, 1977. с.381.

24. Дрейнер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1973. с.391.

25. Дроган С. В., Копанев А. А., Францев Р. Э. Основы информационных систем. СПб.: СПГУВК, 1998. с.88.

26. Дружинин В.В., Конторов Д. С. Проблемы системологии. М.: Сов. радио, 1976. с.200.

27. Дурандин К. П., Ефремов В. Д., Колесников Д. Н. Методы анализа эффективности функционирования сложных систем. Л.: ЛПИ, 1978. с.77.

28. Железное И. Г. Сложные технические системы (оценка характеристик). М.: Высшая школа, 1984. с. 119.

29. Иванищев В. В., Михайлов В. В., Тубольцева В. В. Инженерная экология. Л.: Наука, 1989. с. 145.

30. Имитационное моделирование производственных систем / Под ред. А. А. Вавилова. М.: Машиностроение, 1983. с.234.

31. Киселев В. Г., Матросов А. В. Численное моделирование в инженерных исследованиях. СПб.: СПГУВК, 1998. с. 160.

32. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979. с.600.

33. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979. с.432.

34. Комягин В. Б., Коцюбинский А. О. Excel 7.0 for Windows '95 в примерах. М.: Нолидж, 1995. с.430.

35. Копанев А. А. Информационное и техническое обеспечение тренажерных комплексов. СПб. СПГУВК, 1998. с. 139.

36. Кротов В. Ф. и др. Основы теории оптимального управления. М.: Высшая школа, 1990. с. 429.

37. Кулибанов Ю. М., Истомин Е. П., Саханов 3. И. Основы создания сложных информационных систем. СПб.: СПГУВК, 1998. с.71.

38. Кулибанов Ю. М., Кулибанов М. Ю., Амами Хатем. Экосистема как объект автоматизированного управления / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1998. с.137-141.

39. Ладенко И. С. Имитационные системы (методология исследований и проектирования). Новосибирск: Наука, 1981. с.300.

40. Ларичев О. И., Мошкович Е. М. Качественные методы принятия решений. М.: Наука, 1996. с.210.

41. Лифшиц А. Л., Мальц Э. А. Статистическое моделирование систем массового обслуживания. М.: Сов. радио, 1978. с. 248.

42. Математические модели рационального природопользования / Под ред. В. В. Пененко. Новосибирск: Наука, 1989. с. 136.

43. Математическое моделирование водных экосистем / Труды советско-американского симпозиума. Л. Гидрометеоиздат, 1981. с.310.

44. Мейстер Д. Эргономические основы разработки сложных систем. М.: Мир, 1979. с.456.

45. Менджел М., Кларк К. Динамические модели в экологии поведения. М.: Мир, 1992. с.300.

46. Месарович М., Мако Д., Токахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973. с.310.

47. Методы охраны подземных вод от загрязнения и истощения / Под ред. И. К. Гавич. М.: Недра, 1985. с.320.

48. Миколаш Я., Питтерман Л. Управление охраной окружающей среды. М.: Прогресс, 1983. с.237.

49. Модели управления природными ресурсами / Под ред. В. И. Гурмана. М.: Наука, 1981. с.264.

50. Моделирование процессов экологического развития / Сб. трудов, выпуск 2, ВНИИ системных исследований. 1985. №2. с.92.

51. Моисеев Н. Н. Элементы теории оптимальных систем. М.: Наука,1975. с.528.

52. Моисеев Н. Н., Александров В. В., Тарко А. М. Человек и биосфера. М.: Наука, 1985. с.271.

53. Морозов В. П., Дымарский Я. С. Элементы теории управления ГАП. Л.: Машиностроение, 1984. с.333.

54. Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия технических решений. М.: Мир, 1990. с.208.

55. Нике Дж. Решение производственных задач. М. Машиностроение, 1987. с.248.

56. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Основы теории расчета информационно-измерительных систем. М. Машиностроение, 1980. с.280.

57. Персон P. Microsoft Excel' 97 в подлиннике. СПб.: BHV, т.1, 2, 1998. с.1275.

58. Петровский И. Г. Лекции по теории обыкновенных дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1964. с.272.

59. Петросян Л. А., Захаров В. В. Введение в математическуюэкологию. Л.: ЛГУ, 1986. с.222.

60. Питерсон Д. Теория сетей Петри и моделирование систем. М.: Мир, 1984. с.264.

61. Понтрягин Л. С. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969. с.384.

62. Поспелов Д. А. Логико-лингвистические модели в системе управления. М.: Энергоиздат, 1981. с.232.

63. Построение экспертных систем / Под ред. Ф. Хейста-Роты. М.: Мир, 1987. с.441.

64. Пэнтл Р., Методы системного анализа. М.: Мир, 1979. с.213.

65. Риклефс Р. Основы общей экологии. М.: Наука, 1979. с.250.

66. Рубак В. Я., Киримок Н. И., Дедиков Э. А. Системное проектирование АСУ. Кмев: Техника, 1983. с. 136.

67. Саати Т. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М.: Сов. радио, 1965. с.510.

68. Санна П. Visual Basic для приложений. СПб.: BHV, 1998. с.700.

69. Саттц Т., Керне К. Аналитическое планирование. Организация систем. М.: Радиосвязь, 1991. с.224.

70. Сергиенко И В. Математические модели и методы решения задач дискретной оптимизации. Киев: Наук, думка, 1985. с.382.

71. Сижер Р. Архитектура связи в распределенных сетях. М.: Мир, 1981. т.1,2. с.744.

72. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985. с.270.

73. Сомов А. И. Математические модели и алгоритмическое обеспечение автоматизированных систем управления экологической ситуацией / Автореферат диссертации. СПб.: СПГУВК, 1998. с.27.

74. Сомов А. И. Статистическая классификация в системах управления экологической ситуацией / Сб. научных трудов "Автоматизация решения транспортных задач". СПб.: СПГУВК, 1998. с.62-69.

75. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979. с.288.

76. Турчак J1. И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987. с.318.

77. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. М.: Мир, 1981. с.576.

78. Форрестер Дж. Динамика развития города. М.: Прогресс, 1974.с.287.

79. Фрэнк Г., Чжоу В, Топологическая оптимизация сетей ЭВМ / Системы передачи данных и сети ЭВМ. М.: Мир, 1974. с.147-162.

80. Халиуллин Ю. М., Голосов А. И. Методологические основы управления экологической безопасностью производственно-хозяйственных систем / Сб. научных трудов "Управление в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1995. с.133-137.

81. Храмшин С. К., Ченцов В. М. Живучесть сетей передачи информации / Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1976. №4. с.91-92.

82. Чепурных Н. В., Новоселов А. Л. Планирование и прогнозирование природопользования. М.: Интерпракс, 1995. с.288.

83. Шеридан Т. Б., Феррелл У. Р. Системы человек-машина. М.; Машиностроение, 1980. с.390.

84. Юдин Д. Б., Голынтейн Е. Г. Линейное программирование. М.: Наука, 1969. с.775.

85. Harten A., Hyman J. М., Lax P. D., On finite-difference approximations and enstrophy conditions for shocks-Comm. Pure and Appl. Math., 1976, r.29, №3, p. 297-322.

86. Jaiswal N. K. Priority queues. New York and London: Academic Press, 1968. c.280.

87. Stephan F. F. Two queues under preemptive priority with Poisson arrival and service rates, Operations Res., 6 (1958), 399-418.

88. Takaes L., Priority queues, Operations Res., 12 (1964), 63-74.

89. White H., Christie L. S., Queuing with preemptive priorities or with breakdown, Operations Res., 6 (1958), 79-85.