автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическое и информационное обеспечение систем управления техническими средствами защиты окружающей среды

Введение.

Глава 1. Использование принципов системного подхода для анализа окружающей среды.

1.1 Основы системного подхода.

1.2 О состоянии окружающей среды

Санкт-Петербурга и Ленинградской области.

1.3 Закономерности поведения сложных и больших систем.

1.4 Принципы системного подхода.

1.5 Понятие об интеллекте.

1.6 Категории управления.

1.7 Акт принятия решения.

1.8 Последовательность разработки моделей и их машинная реализация.

1.9 Машинный эксперимент и интерпретация результатов моделирования.

Глава 2. Характеристики и модели окружающей среды.

2.1 Понятие об экологической устойчивости.

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.

2.5 Модель управления динамикой атмосферных загрязнений.

2.6 Модель гидрохимических воздействий на водоемы.

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

3.1 Цели и задачи обработки экологической информации.

3.2 Выбор рациональной структуры компьютерной сети.

3.3 Компьютерная сеть как система массового обслуживания.

3.4 Исследование характеристик одноканальных КВС.

3.5 Исследование характеристик многоканальных КВС.

3.6 Приближенные оценки характеристик КВС.

3.7 Имитационное моделирование производительности компьютерной сети.

Глава 4. Исследование ВС 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 охранной окружающей природной среды связан с правильным пониманием серьезных последствий нарушения ее качества. Это, прежде всего, загрязнение воздуха, воды, почвы, истощение природных ресурсов.

Вопросы управления охраной окружающей среды 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., Варжапетяна А.Г., Доданова А.Г., Иванищева В.В., Киселева В.Б., Новоселова О.Н., Солдатенко С.А., Строганова В.И., Фомина А.Ф, Юсупова P.M.

Однако применение локальных и глобальных 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 охраной 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, труды следующих ученых: Горспгко А.Б., Гурмана В.И., Каплина Б.Г., Копсова М.М., Моисеева Н.Н., Тарко A.M., Поспелова Д.А., Сомова А.И.

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

Получение информации о состоянии внешней среды связано с некоторыми особенностями, которые состоят в следующем: наличие большого количества точек съема информации; рас сосредоточенность точек контроля; неоднозначность информации, снимаемой даже в близлежащих точках; ограниченность возможностей контроля; необходимость первичной обработки 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 охраной окружающей среды.

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 охраной окружающей среды.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные вопросы: с системных позиций производится качественное исследование окружающей среды и даются количественные оценки на примере Санкт-Петербурга и Ленинградской облаете; 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, управления динамикой атмосферных загрязнений, гидрохимических воздействий на водоемы, на основе которых анализируются вопросы информационного обеспечения процесса управления; создается рациональная структура информационной вычислительной сети; производится исследование информационной вычислительной сети как системы массового обслуживания с бес приоритетным и с приоритетным обслуживанием; разработаны рекомендации по использованию результатов исследований в системе управления охраной окружающей среды.

Предметом исследований является математическое и информационное обеспечение систем управления охраной окружающей среды. Исследования проводятся на основе анализа информационных характеристик математических моделей переноса примесей в атмосфере и океане, миграции загрязнителей, качества воды, динамики атмосферных загрязнений, гидрохимических воздействий на водоемы.

Решение поставленных задач 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. Получены новые результаты по исследованию параметров, влияющих на устойчивость экосистемы к внешним воздействиям отличающиеся адекватностью реальным процессом, предложены теоретические подходы к выбору 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, в ОАО «Канонерский судоремонтный завод».

На защиту выносятся:

1. Математические модели и результаты исследований характеристик окружающей среды как объекта автоматизированного управления.

2. Методика выбора рациональной структуры компьютерной информационной сети.

3. Закономерности, лежащие в основе функционирования систем управления охраной окружающей среды.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Региональная информатика-2000 (международная конференция); На кафедральных семинарах «Математическое моделирование сложных систем».

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 104 наименования. Работа содержит 161 страницу печатного текста, 31 рисунок.

Заключение

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты.

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

- найти наиболее удобные формы представления информации для принятия решения об управлении охраной окружающей среды;

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

- предложить методики применения аналитических методов в исследовательских данных объектов;

2. Введено понятие экологической устойчивости, на основании чего выполнено следующее: разработана математическая модель оценки экологической устойчивости;

- выполнено исследование устойчивости в зависимости от изменения количества вредных примесей и массы нейтрализации данных выбросов

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;

- модель управления динамикой атмосферных загрязнений;

- модель гидрохимических воздействий на водоемы;

- получены характеристики необходимого объема информации для использования в системе управления.

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

2. Альянах Й. Н. Моделирование вычислительных систем. Л.: 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. Баранов С.Н., Домороцкий А.Н., Ласточкин Н.К., Морозов В.П. Процесс разработки программных изделий М.: Наука Физматлит, 2000 с. 176

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

7. Бреховских С. М. Основы функциональной системологш материальных объектов. М.: Наука, 1986. с.250.

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

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

10. Ю.Бэрри Нанс. Компьютерные сети. М.: Бином, 1996. с.400.

11. Вавилин В. А., Циткин М. Ю. Математическое моделирование и управление качеством водной среды/ Водные ресурсы. 1977. №5 с.34-40.

12. Варжапетян А.Г., Глущенко В.В. Системы управления М.: Вузовская книга. 2000 с. 326

13. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1962. с. 564.

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

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

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

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

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

19. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа СПб.: СПбГТУ, 1999 с.51220Воропаев Г. В. и др. Моделирование водохозяйственных систем аридной зоны СССР. М.: Наука, 1984. с.312.

20. Вунш Г. Теория систем. М.: Сов. радио, 1978. е.288.

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

22. Гаскаров Д.В., Киселев В.Б., Солдатенко С.А., Строганов В.И., Юсунов P.M. Введение в геофизическую кибернетику и экологический мониторинг. СПб.: СПГУВК, 1998. с. 165.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

33. Железнов И. Г. Сложные технические системы (оценка характеристик). М. Высшая щкола, 1984. с. 119.

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

35. Иванищев В.В., Марлей В.Е. ведение в теорию алгоритмических сетей СПб.: СПбГУ 2000 с. 180

36. Иванищев В.В., Михайлов В.В. Автоматизация моделирования экологических систем СПб.: СПбГТУ, 2000 с. 171.

37. Митационное моделирование природной системы «Озеро-водосбор». Л : ЛИИАН, 1987. с.231

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

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

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

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

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

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

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

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

46. 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.

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

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

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

50. Марчук Г. И. и др. Математические модели в геофизической гидродинамике и численные методы их реализации. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. с.295.

51. Марасанов А.К., быков А.А. Организационные системы на транспорте Сб. научных трудов «Методы прикладной математики в транспортных системах.» СПб.: СПГУВК, 2000 с. 35+40

52. Марасанов А.К. Цели и задачи получения экологической информации Сб. научных трудов «Методы прикладной математики в транспортных системах» СПб.: СПГУВК, 2000 с. 203-5-206

53. Марасанов А.К. математическая модель нейтрализации вредных выбросов в окружающую среду Сб. научных трудов «Методы прикладной математики в транспортных системах» СПб.: СПГУВК, 2000 с. 2074-210

54. Марлей В. В. Моделирование сложных систем на основе распределенных алгоритмических сетей / автореферат диссер. на соискание ученой степени доктора технических наук. СПб.: Институт информатики и автоматизации РАН, 1998. с.31.

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

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

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

58. Менджел М., Кларк К. Дивамические модели в экологии поведения. М.: Мир,1992. с.300.

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

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

61. Миколаш Я., Пиггерман Л. Управление охраной окружающей среды. М.: Прогресс, 1983. с.237.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

72. Петросян Л. А., Захаров В. В. Введение в математическую экологию. Л.: ЛГУ, 1986. с.222.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

89. Турчак Л. И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987. с.318.

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

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

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

93. 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.

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

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

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

97. Юдин Д. Б., Гольпггейн Б. Г. Линейное программирование. М.: Наука, 1969. с.775.

98. Harten А., Нутап 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.

99. Jaiswal N. K. Priority queues. New York and London: Academic Press, 1968. c.280.lOl.Stephan F. F. Two queues under preemptive priority with Poisson arrival and service rates, Operations Res., 6 (1958), 399-418.

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

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

102. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды С. Петербурга и Ленинградской области в 1999 году. СПб, 2000.