автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Методология управления в распределенных организационных системах на основе экологической информации

е Воронежский государственный технический университет Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

СТРОГОНОВ Владимир Иванович

МЕТОДОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

-— ХпещгалМость: 05.13.10 - Управление в социальных и

'( Президиум ВАК России ?

И ^ экономических системах

| (решение от" " ^ 19^г„ № ^

I) А АТ/Т^^'П А '

I] присудил ученую степень Д1Л\ 1 А | ■

I Шл^ш^Н- иду.*:

■') Начальник:, управления ВАК России. '? ¿| ДИССЕРТАГ4ИЯ

* "~^на^с6искаШё"ученой степени

доктора технических наук

Воронеж, Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕМ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 21

1.1. Основные принципы организации экологического мониторинга 21

1.2. Интеграция экологической и биологической информации в распределенных системах управления природоохранной деятельностью 58

1.3. Структурные и информационные аспекты интегрированного экологического мониторинга 77

1.4. Применение современных геоинформационных технологий в автоматизированных системах природоохранных органов 96

1.5. Цель и задачи исследования 107

2. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМ - 109

2.1. Системный подход к управлению экологической ситуацией 109

2.2. Функциональная модель экологического контроля территориального уровня 131

2.3. Организация информационной поддержки в системе управления распределенной экологической ситуацией 156 Выводы второй главы 168

3. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУР ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 170

3.1. Организационные основы планирования мониторинга 170

3.2. Теоретико-игровая модель алгоритма экологического мониторинга 175

3.3. Модель стратегии контроля источников загрязнения 181

3.4. Алгоритмы контроля источников загрязнения и оценки управляющих воздействий 191 Выводы третьей главы 197

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 198

4.1. Методы статистической классификации 198

4.2. Алгоритмы и процедуры формирования математической модели 205

4.3. Экспериментальное исследование модели 230

4.4. Построение информационного поля 252 Выводы четвертой главы 258

5. МЕТОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ИНТЕГРИРОВАН-

НОЙ СИСТЕМЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 261

5.1. Окружающая среда как объект управления в сложной

системе 261

5.2. Применение имитационного моделирования для решения

задач в системе экологического мониторинга 288

5.3. Информационные технологии в эколого-экономическом мониторинге 327

5.4. Эколого-медицинский мониторинг среды обитания региона 344 Выводы пятой главы 356

6. ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА РЕГИОНА С РАСПОЛОЖЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ 357

6.1. Шумовое воздействие энергетических предприятий на окружающую среду 357

6.2. Акустические характеристики различных видов энергетического оборудования 366

6.3. Организация акустического мониторинга 373

6.4. Алгоритмическое обеспечение акустического мониторинга 383

6.5. Вопросы технико-экономического выбора мероприятий

по борьбе с шумами 392

Выводы шестой главы 402

7. ОСНОВЫ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДНОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ В РЕГИОНЕ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 404

7.1. Информационное обеспечение автоматизированных систем экологического мониторинга 404

7.2. Система экологического мониторинга промышленного региона 425

7.3. Организация проектирования автоматизированной системы экологической информации 440

7.4. Разработка комплексной системы управления региональных природоохранных органов и ее реализация 453 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 487 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 489 ПРИЛОЖЕНИЕ 511

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Неуправляемое антропогенное и техногенное воздействия приводят к существенному загрязнению окружающей среды (ОС), неблагоприятно влияя на здоровье населения. Формирование и поддержание высокого качества сред обитания является основным принципом природоохранной деятельности в соответствии с законом «Об охране природной среды», которым должны руководствоваться государственные органы, предприятия, учреждения, организации и частные лица.

Структурно природоохранные и профилактические мероприятия, можно разделить на медико-санитарные (количество выбросов оксидов углерода и т.д. в атмосферу и др.), социально-демографические (развитие районов), лечебно-профилактические (количество медицинских учреждений, обеспеченность врачами и т.п.), ландшафтные (размеры земельных площадей авиахимобработки, противоэрозийные мероприятия и т.п.), учитывающие все жизненно важные состояния природных сред и социальных показателей. Определяющим для стабилизации социальной сферы (санитарно-эпидемиологической безопасности) является экологическая ситуация.

Разработка целенаправленных управленческих решений по оптимизации экологической ситуации, оценка риска здоровью человека на современном этапе требует внедрения информационных технологий управления, включающих методы оценки и прогнозирования состояния окружающей среды и здоровья населения на основе мониторинговых подходов.

Особенностью применения информационных технологий для управления экологической ситуацией является:

сложность разработки алгоритмов принятия управленческих решений; инертность реакции объекта управления на управляющее воздействие (улучшение экологической ситуации повлияет на показатели здоровья населения с течением длительного периода времени);

при достижении в ходе реализации решения поставленной задачи процесс управления на этом не заканчивается, а переходит в стадию стабилизации эффекта.

В настоящее время развитие получает использование систем мониторинга для контроля за экологической ситуацией. В общем случае, организация мониторинга рассматривается в двух аспектах - глобальном и региональном - и включает компоненты внешнего, внутреннего и индивидуального мониторин-гов. Системы мониторинга создаются по отдельным природным средам: воздух, вода, земля. В последнее время разрабатываются системы мониторинга здоровья населения (медицинский мониторинг).

Вопросы прогнозирования и управления качеством окружающей среды в этих системах, как правило, проработаны недостаточно из-за отсутствия научно-обоснованных критериев и путей их решения. Несмотря на решение правительства РФ о создании Единой Государственной Системы Экологического мониторинга, не решены вопросы взаимодействия систем (подсистем) наблюдения за состоянием отдельных сфер природной среды.

Информация, собираемая специализированными системами мониторинга, недостаточна для того, чтобы четко определить цели управления, формализовать критерии и получить данные, необходимые для управления качеством окружающей среды региона.

На сегодняшний день не разработана система управляющих решений природоохранных и профилактических мероприятий. В первую очередь это касается состояния воздушного бассейна, водных объектов, зеленых насаждений. Не определены параметры, при которых обязательно принимаются те или иные конкретные решения (ограничения движения транспорта, приостановка деятельности предприятий, замена зеленых насаждений, очистка рек и т.д.).

В связи с этим актуальным является рационализация принятия управленческих решений в социально-экологической сфере региона по выбору и планированию профилактических и природоохранных мероприятий на основе по-

строения комплексной системы автоматизированного контроля и управлени экологической ситуацией.

Задача классификации многомерных объектов является традиционно для геологии, геохимии, петрографии и т.д. и получила широкое распростране ние как самостоятельная задача разграничения экологических районов по ком плексу характеризующих его показателей.

При ограниченном объеме информации о состоянии окружающей средь используют алгоритмы восстановления информации в зонах информации шл ее неконтролируемости с целью оптимального принятия решений о состоянш среды. Статистические методы восстановления включают в себя: интеграцион ные методы, корреляционные методы оптимального восстановления, спек тральный анализ восстановления информации.

Задача поиска эффективных математических средств для реализации ос новных требований к математической модели систем автоматизированногс расчета и построения изолиний экологических показателей информационногс поля является ключевой в рассматриваемой проблемной области - экологиче ской безопасности.

Вопросы разработки систем экологического мониторинга региональной: уровня, математического, информационно-программного и методического егс обеспечения рассматривались в целом ряде работ. Вместе с тем, указанные выше проблемы остаются практически не разработанными.

Работа выполнена в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 24 ноября 1993 г. № 1229 «О создании Единой Государственной Системы экологического мониторинга» и с одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Проблемно-ориентированные системы управления».

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методологической основы, проблемно-ориентированного информационного и математического обеспечения интегрированного экологического мониторинга,

направленных на повышение эффективности управления в распределенных о: ганизационных системах региональных природно-хозяйственных комплексов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие з

дачи:

провести анализ путей повышения эффективности управления природ( пользованием на основе информационных технологий и сформировать треб* вания к организации интегрированного экологического мониторинга, отр; жающего характер взаимодействия между социально-экологической системе и природоохранной деятельностью в регионе;

сформировать функциональную модель экологического контроля терр] ториального уровня, включающую компоненты, необходимые для организацк информационного обеспечения в системе управления распределенной эколоп ческой ситуацией;

разработать оптимизационные модели и алгоритмы выбора рационал ной стратегии контроля источников загрязнений при ограниченных ресурс? управления природоохранной деятельностью в регионе;

создать проблемно-ориентированные процедуры обработки и отображ ния экологической информации в структуре математического обеспечения а. томатизированного управления распределенными организационными прир<. доохранными системами;

осуществить многоаспектную структуризацию системы экологическог мониторинга с построением функциональных и имитационных моделей эколс го-экономического, эколого-медицинского и акустического мониторинга, ор] ентированных на рациональный выбор управляющих решений в социальнс экономической и природоохранной сферах региона;

внедрить результаты исследования при создании комплексной автомат! зйрованной системы для региональных органов социально-экономическог управления, природоохранной деятельности и здравоохранения на основе т тёгрированного экологического мониторинга.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использов; лись основные положения теории управления большими системами, теории В( роятностей, математической статистики, методы моделирования, идентифик; ции, оптимизации и геоинформационные технологии.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, х; рактеризующиеся научной новизной:

функциональная модель экологического контроля территории, позвс ляющая в рамках иерархической структуры обеспечить адекватное отображс яие детализированных функций экоконтроля в комплексе структурных компс нентов, операций и процедур, связанных с действиями по реализации эта функций;

оптимизационные модели и алгоритмы выбора рациональной стратеги контроля источников загрязнений, планирования экологического мониторинг отличающиеся математическими приемами формализации в рамках теории иг социально-экономических и природоохранных интересов территории в уел с виях ограниченных ресурсов;

проблемно-ориентированные процедуры автоматизированной обработк экологической информации, обеспечивающие интеграцию алгоритмов стат* стической классификации и графической трансформации данных мониториш в структуре математического обеспечения управления в распределенных орг; низационных системах;

алгоритм оптимальной взвешенной интерполяции, отличающийся во: можностью максимального извлечения полезной информации , заключенной данных опробования, и планирования оптимальной геометрии опробования;

методическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированного рас чета цифровой модели информационного поля (карты), основанное на испол1 зовании предложенной эффективной формы сетки измерений и оптимально дискретности опробования с учетом имеющихся замеров экологической ш формации;

комплекс процедур принятия управленческих решений, ориентированных на многоаспектную структуризацию системы экологического мониторинга с формированием функциональных и имитационных моделей эколого-экономического, эколого-медицинского и акустического мониторинга;

комплексная методика информационной поддержки принятия решений по выбору природоохранных и лечебно-профилактических мероприятий, отличающаяся возможностью анализа пространственных взаимодействий объектов на основе многовариантного моделирования медико-экологических показателей качества окружающей среды и здоровья населения с использованием методологии геоинформационных технологий.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанные в диссертации подходы и методы являются основой рациональной организации экологического мониторинга с учетом влияния на здоровье населения и территориальных особенностей. Результатом применения разработанных методов является создание территориальных систем контроля и управления экологической ситуацией, определение эффективной стратегии проведения природоохранных и профилактических мероприятий, оценка состояния здоровья населения и окружающей среды по медико-экологическим критериям и прогнозным показателям.

Разработанное математическое, алгоритмическое, методическое и программное обеспечение задач контроля и управления экологической ситуацией может широко применяться при построении компьютерных систем управления процессом принятия решений по выбору природоохранных мероприятий.

Модели статистической классификации и цифровой модели информационного поля карты распределения концентрации экологических параметров в регионе позволяют решить задачу создания информационной системы экологического мониторинга.

Результаты исследования использовались при выполнении госбюджетной темы ГБ 14.98 «Создание справочно-аналитической информационной сис-

темы мониторинга образовательной и социально-экономической среды региона, основанной на ГИС-технологии» по научно-технической программе Минобразования РФ «Разработка научных основ создания геойнформационных систем», в научно-исследовательской программе «Транспорт России», в отраслевых программах Академии Транспорта РФ «Региональные системы управления», ряда НИР: «Исследование состояния воздушного бассейна и разработка мероприятий по снижению вредных выбросов ТЭС Мосэнерго», «Комплексное акустическое обследование РТС и КТС Предприятия № 1 МГП «Мостепло-энерго», «Экологические проблемы региона (Северо-Западного) и др.

Результаты исследования использованы при создании территориальных систем контроля и управления экологической ситуацией в Воронежской области, Северо-Западном регионе, республике Татарстан, а также внедрены в учебный процесс межвузовской кафедры «Системный анализ и управление в медицинских и педагогических системах» при обучении студентов Воронежского государственного технического университета специальности 190500 - Биотехнические и медицинские аппараты и системы, в учебном процессе кафедры природопользования и мониторинга окружающей среды Воронежского государственного университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях: Международной научно-технической конференции «Региональная информатика-96» (Санкт-Петербург, 1996); Всероссийском совещании-семинаре «Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании, медицине» (Воронеж, 1996, 1997); Всероссийской научно-технической конференции «Выс