автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Оптимизация состава и размещения локальных информационно-управляющих центров в системе экологического химического и радиационного мониторинга

На правах рукописи

ШПИЧКО Ольга Юрьевна

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И РАЗМЕЩЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ ЦЕНТРО В В СИСТЕМЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ХИМИЧЕСКОГО И РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА

05 13 01 - Системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005 г.

Работа выполнена на кафедре Информационных технологий Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Кузин Рудольф Евгеньевич

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Бахвалов Лев Алексеевич

доктор технических наук, профессор Костров Алексей Владимирович

Ведущая организация

ГУП МосНПО «РАДОН»

Защита состоится " 08 " " февраля " 2005 года в 14.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.120.08 при Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ (Москва, Малая Пироговская, 1)

Реферат разослан " 27 " декабря 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор технических наук

Бурляева Е.В.

-гооб-4 2591

¿шщ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время актуальность и значимость экологического мониторинга неуклонно растет Системы радиационного и химического мониторинга интенсивно развиваются для обеспечения экологической безопасности предприятий и территорий

Первичным звеном автоматизированной системы экологического мониторинга (АСЭМ) являются локальные информационно-управляющие центры (ЛИУЦ) автоматизированных систем экологического мониторинга

Отраслевая система экологического мониторинга РосАтома как подсистема государственной системы решает весь комплекс задач мониторинга и должна создаваться на основе принципов системного синтеза и анализа

Создание и поддержка автоматизированной системы экологического мониторинга связаны с большими затратами Основную долю (до 90% общей стоимости) составляют затраты на информационно-измерительную сеть Для повышения эффективности системы мониторинга очень важно снизить затраты на создание ифномационно-измерительной сети при сохранении информационности автоматизированной системы экологического мониторинга на требуемом уровне Эта задача может быть решена за счет оптимизации технических и программных средств локальных информационно-управляющих центров, а также оптимального размещения составляющих информационно-измерительной сети и распределения функций между ними

Таким образом, задача оптимизации автоматизированной системы экологического мониторинга является важной и актуальной на нынешнем этапе развития государственной системы экологического мониторинга

Целью работы является разработка критериев и программных средств оптимизации размещения измерительной системы экологического химического и радиационного мониторинга на основе системного анализа, а также разработка системных требований к техническим и программным средствам автоматизированной системы экологического мониторинга

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1 Формализация задачи оптимизации экологического химического и радиационного мониторинга на основе системного анализа

2 Разработка системных требований к техническим и программным средствам химического и радиационного мониторинга, обеспечивающих повышение эффективности автоматизированной системы экологического мониторинга

3 Разработка критериев информативности информационно-измерительной подсистемы экологического мониторинга для оптимизации размещения

4 Разработка алгоритма и программных средств оптимального размещения информационно-измерительной сети при проектировании системы экологического мониторинга

Научная новизна.

1 Выполнена формальная постановка задачи оптимизации химического и радиационного мониторинга на основе системного анализа автоматизированной системы экологического мониторинга

2 Разработаны системные требования к техническим и программным средствам локальных информационно-управляющих центров автоматизированной системы экологического мониторинга

3 Разработаны формализованные критерии для оценки информативности автоматизированной системы экологического мониторинга, использующие гауссовы модели распространения загрязнений

4 Разработан алгоритм оптимального размещения локальных информационно-управляющих центров в информационно-измерительной сети при проектировании системы экологического мониторинга

Практическая значимость.

1 Разработаны и переданы для практического применения проектным организациям РосАтома системные требования к локальным информационно-управляющим центрам экологического химического и радиационного мониторинга в форме руководящего документа

2 Разработаны программные средства оптимального размещения локальных информационно-управляющих центров в информационно-измерительной сети при проектировании автоматизированной системы экологического мониторинга Программные средства прошли тестирование на контрольных задачах и переданы для применения в ГСПИ РосАтома (государственный специальные проектный институт)

3 С использованием разработанных алгоритма и программных средств выполнена оптимизация информационно-измерительной сети автоматизированной системы экологического мониторинга ВНИИХТ При этом обеспечивается снижение затрат на создание и эксплуатацию автоматизированной системы экологического мониторинга на 38% при сохранении проектной информативности системы

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на ряде конференций

1 Юбилейная Международная научная конференция памяти В В Кафарова «Методы кибернетики в химии и химической технологии» г Москва, июнь, 2004 г

2 Четвертая межвузовская конференция «Математические методы в химии и химической технологии» г Тамбов, апрель, 2004 г

3 Седьмая Международная конференция «Безопасность ядерных технологий Обращение с радиоактивными отходами» г Санкт-Петербург, сентябрь, 2004 г

4 Вторая Международная научно-практическая конференция «Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления» г Новочеркасск, ноябрь, 2002 г

Публикации, Основные результаты диссертации опубликованы в 4 научных работах Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного содержания, заключения, где сформулированы основные результаты, и списка информационных источников из 153 наименований Содержание диссертации изложено на 134 страницах текста и содержит 26 рисунков и 7 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен системный анализ экологического химического и радиационного мониторинга с целью формальной постановки задачи оптимизации мониторинга Основной целью экологического мониторинга на загрязненных территориях является своевременное получение объективной информации о ЧС природного и техногеннот характера, антропогенном воздействии на окружающую среду с оценкой ее состояния, а также оперативное оповещение органов государственного управления и населения о динамике изменения обстановки (радиационной, химической, пожарной, инженерной, экологической и т д)

В соответствии с иерархией построения единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСМ) основным звеном системы являются локальные информационно-управляющие центры автоматизированных систем экологического мониторинга (в дальнейшем - ЛИУЦ) Структуру локальных информационно-управляющих центров для предприятия РосАтома, содержащего все признаки объекта мониторинга, такие как наличие хранилищ РАО и загрязненных территорий, удобнее всего рассмотреть на примере автоматизированной системы экологического мониторинга ВПИИХТ Автоматизированная система экологического мониторинга АСЭМ ВНИИХТ представляет собой сложный комплекс технических и программных средств сбора, обработки, концентрирования, отображения и переработки информации об экологической обстановке на промплощадке ВНИИХТ (рис 1)

Автоматизированная система экологического мониторинга имеет развитое программное обеспечение функционирования отдельных подсистем и их взаимодействия

Автоматическая станция мониторинга атмосферного воздуха АСМА обеспечивает автоматическое и непрерывное измерение концентраций семи ВХВ (СО, N02,

ЭОг, НгЗ, >Ш3, НИ, суммарные углеводороды ХСхН4) в атмосферном воздухе, четырех

5

метеопараметров (направление и скорость ветра, температура и влажность) и мощности экспозиционной дозы гамма-излучения (МЭД) Данные о ПДК контролируемых химических загрязнителей приведены в табл 1

в J*

Автоматическая станция

АСМА - мониторинга

атмосферного воздуха

Монитор МАБЕР - аэрозолей бериллия

]

Автоматическая система 1 АСКРО - контроля I

радиационной обстановки [

Центральный пост экологического мониторинга ^

ПК Ol í Подсистема контроля ЦП гп - радионуклидов

Подсистема контроля ПК ВХВ - вредных

химических веществ

Пробоотбор и проболодготовка на основе регламентов и методик

Рис 1 Структурная схема автоматизированной системы экологического мониторинга

Таблица 1

ПДК загрязнителей, контролируемых АСМА

№ п/п Измеряемый параметр Единица измерения ПДК максим разовая ПДК среднесушчн.

1 Окись углерода СО мг/м3 5 3

2 Двуокись серы 802 мг/м3 05 0 05

3 Аммиак ЫНз мг/м3 02 0 04

4 Сероводород Н28 мг/м3 0 008 -

5 Двуокись азота ЫОг мг/м3 0 085 0 04

б Сумма углеводородов ЕСхН, мг/м3 0 02 0 005

7 Фтористый водород НИ мг/м3 0 01 0 001

Подсистема контроля вредных химических веществ ПК ВХВ является важнейшей отличительной чертой АСЭМ ВНИИХТ ПК ВХВ обеспечивает более 90% информации об экологической обстановке Подсистема обеспечивает измерение ВХВ в сточных и ливневых водах предприятия, в почве и в воздухе на промплощадке с использованием метрологически аттестованных методик пробоотбора с последующим измерением содержания ВХВ в пробах с помощью высокочувствительных автоматических приборов

Общее число контролируемых загрязнителей составляет более 80, разной степени

токсичности и классов опасности, в том числе такие токсичные вещества, как соединения Ве, Ь1, Аб, РЬ, Сг, С(3, а также токсичные газы - окислы азота, фтористый и мышьяковистый водород, ацетон, бензол, толуол В сточных водах предприятия с использованием ионной хроматографии и потенциометрических методов (ИСЭ) определяется содержание анионов БО4", N0'", Я", СГ и цианидов Для выполнения аналитических измерений в пробах используются новейшие методы контроля

Подсистема контроля радионуклидов ПКР используется для измерения содержания радионуклидов в различных пробах ПКР реализуется на основе комплексов радиометрической аппаратуры (а, у-спектрометры и )3-радиометр) и соответствующей автоматизированной системы "Радионуклиды в окружающей среде"

Центральный пост экологического мониторинга ЦПЭМ (рис 2) обеспечивает программную поддержку всех подсистем автоматизированной системы экологического мониторинга На центральном посту экологического мониторинга круглосуточно работают два персональных компьютера Первый персональный компьютер обеспечивает постоянный радиообмен с АСМА, обработку файлов принятой информации и передачу их через кабель на центральный процессор центрального поста экологическою мниторинга Второй персональный компьютер с тремя модемами реализует функции ЦЮМ Здесь концентрируются все данные об экологической обстановке, работают программы АСКРО и управления базами экологических данных ЦПЭМ формирует файлы оповещения руководства разного уровня об экологической обстановке во ВНИИХ Г

Центральный пост

Сервер

Лаборатория Конт|

Рис 2 Вычислительный комплекс автоматизированной системы экологического мониторинга

Выполненный анализ подсистем экологического мониторинга, их взаимодействия и информационных потоков в системе позволил установить, что 80-90% стоимости автоматизированной системы экологического мониторинга приходится на информационно-измерительную часть системы, обеспечивающую всю систему необходимой информацией Учитывая, что стоимость Si этой части автоматизированной системы экологического мониторинга, как правило, высока, целесообразно исследовать и поставить задачу минимизации S[ при условии, что информативность системы 1с не будет опускаться ниже допустимого уровня 1д Информативность 1с характеризует способность системы на основе средств измерения и математической обработки данных решать задачи подготовки управляющих решений

Таким образом, может быть поставлена задача оптимизации в виде

IS, = min,

1с* I* (1)

v,e V,

где Si - сумма затрат на создание и поддержку АСЭМ при информативности I,

1с - достигнутая информативность системы,

1д - допустимое минимальное значение информативности, определяемое проектом,

v, - варианты размещения ЛИУЦ, 1=1,2, ,

V - совокупность неформализуемых ограничений на размещение ЛИУЦ Структурная схема решения задачи оптимизации показана на рис 3

Минимизация затрат 8,

Разработка "системных требований" к техническим и программным средствам (ТПС) АСЭМ

Формализация критериев информативности 1с

Разработка алгоритмов и программ расчета |с

Выбор ТПС на стадии «а ä-

проектирования ЛИУЦ S,-ESn

8„ —► min Эвристическая оптимизация размещения ЛИУЦ в системе

•л 5 'дл

S,= min

Неформализованные ограничения

(Проектирование^ АСЭМ J

рд-

Рис 3 Структурная схема решения задачи оптимизации АСЭМ руководящий документ, ПрД - проектный документ, Ял - стоимость ЛИУЦ

8

На основе системных требований к техническим и программным средствам (ТПС) АСЭМ проектируется оптимальный состав локальных информационно-управляющих центров, при котором минимизируется стоимость ЛИУЦ 8л при условии достижения допустимой для ЛИУЦ информативности 1л Затем на основе алгоритмов и программ формального расчета информативности 1с проводится оптимизация размещения выбранных локальных информационно-управляющих центров на территории объекта мониторинга Оптимизация проводится эвристическим методом, так как приходится учитывать множество неформапизуемых ограничений V, к числу которых относятся доступность энергоснабжения, наличие путей сообщения, надежность защиты от вандализма и т д

Как следует из системного анализа экологического мониторинга, существенное повышение эффективности экологического мониторинга, определяемой в виде отношения информативности системы к затратам на ее создание и поддержку, может быть достигнуто на уровне подбора технических и программных средств локальных информационно-управляющих центров Рынок этих средств очень широк, но в то же время отсутствуют специальные разработки именно для целей экологического мониторинга Специализация на задачи экологического мониторинга сужает рынок и приводит к повышению стоимости технических и программных средств

Отсюда следует, что для подбора средств экологического мониторинга необходимо выполнить исследования существующих предложений с системных позиций, т е осуществить выбор технических и программных средств для отдельных подсистем с учетом их последующего эффективного взаимодействия в составе системы Результатом таких исследований явилась разработка системных требований к техническим и программным средствам в виде специального руководящего документа Роль и место руководящего документа «Системные требования» показаны на рис 4

На основе системных требований к техническим и программным средствам контроля радиационной обстановки предложена структура подсистемы контроля радионуклидов (рис 5)

К концу 80-х годов отечественная аналитическая техника по показателям назначения мало уступала зарубежным аналогам, хотя отставание, прежде всего в части компьютеризации и надежности, было очевидным Период перестройки очень тяжело отразился на техническом уровне отечественного приборостроения отставание от западной техники стало качественным В настоящее время, на фоне продолжающегося экономического кризиса, возникли хотя и малочисленные, по вполне перспективные в технико-экономическом отношении разработки приборов нового поколения с компьютерной обработкой информации и автоматической диагностикой состояния, по своим схемотехническим и конструктивно-технологическим решениям соответствующие современному мировому уровню, а значит, не уступающие ни по

надежности, ни по целевым показателям зарубежной технике, но значительно меньшей стоимости

'л г <дп

Рис 4 Роль и место системных требований при создании автоматизированной системы экологического мониторинга

Пробоотбор

ш®

в сбросах

в выбросах

й

поверхностного загрязнения территории П

Я

выпадении —. (осадки)

Радиометрическое опробование ДПк (радиометры ^Г МКС-01,ДРГ-01Т)

Пробоподготовка для гамма-спактро-метрического и радиохимического, анализов 0Л

Гамма-спектрометрическое

235,, 2Э8|I определение и, и,

22вЯа122*ТИ, мгТН,1ЭТСв,

(гамма-спектрометр с ППД и анализатором СалЬегга 8-96)

Радиохимическое определе-

„и.235и, гми, гз*Ри,и,Ри,

^ТЬ^Ь^Ро (альфа-спектрометр с ППД н ИК)

Радиохимическое определе-

-----*°8Г, 210РЬ (бвта-радио-

метр с сцинтилляционным счетчиком)

Рис 5 Подсистема контроля радионуклидов На основе системных требований к средствам контроля вредных химических веществ в сбросах и выбросах предложена структура подсистемы контроля ВХВ (рис 6)

Ситуация, сложившаяся на мировом информационном рынке, характеризуется тем, что цены на информационные продукты и услуги примерно на два порядка (а в некоторых

областях, например, по проблемам структурной химической информации, фармакологических данных - на три порядка) выше цен на информационное сырье

Контролируется более 80 токсичных соединений

Отбор проб в сбросах, выбросах, почве, ,„ с поверхностей

Пробоподготовка с использованием сорбционных И экстракционных технологий обогащения

Контроль сбросных вод на содержание

ионов SO,, N03, F", CI" и цианидов

Элементный, изотопный анализ на базе SOLA ICP/GD MS, в том числе Be, Li, As, Mg, Pb.Cr, Cd, U, Pu

Контроль токсичных газов N0, НЯ, АзН3, ацетон, бензол, толуол

Базы данных АСЭМ

Рис 6 Подсистема контроля вредных химических веществ (ПК ВХВ) Перед разработчиками автоматизированной системы экологического мониторинга стоит проблема организации сложных по структуре и мощных потоков разнородной информации и преобразование их в целевые, концентрированные данные (знания) в форме цифровой модели территории, информационных продуктов и услуг

На основе системных требований к используемым информационным технологиям в качестве основы автоматизированной системы экологического мониторинга предлагается структура интеллектуальной системы экологической безопасности (рис 7) Важно подчеркнуть, что главная задача автоматизированной системы экологического мониторинга в качестве интеллектуальной системы - это поддержка подсистемы реагирования, построенной на основе экспертно-справочной системы

В настоящее время экспертные системы являются наиболее развитым направлением искусственного интеллекта Наблюдается устойчивая тенденция к использованию ЭС в системах экологического мониторинга Среди отечественных исследователей следует отметить Л А Бахвалова, И О Темкина, В Ф Корнюшко, К Ю Колыбанова, Р Е Кузина, в работах которых поставлены основные проблемы создания систем реагирования и экологической безопасности на основе экспертных система

Разработанные системные требования к локальным информационно-управляющим центрам были оформлены в виде Руководящего Документа «Системные требования к

локальным информационно-управляющим центрам автоматизированных систем экологического мониторинга» (рег№ РД-88/03), который был рассмотрен, одобрен и рекомендован для применения в проектных организациях РосАтома на секции охраны окружающей среды НТС ФГУП ВНИИХТ (протокол № 3 от 17 02 2003) и на секции № 8 НТС Минатома (протокол № 8-11 от 18 03 2003)

г ¿т

Производственные объекты ВНИИХ1

Станции наблюдений и анализа

Интегрированные базы данных и знаний

Информационные измерительные сети

Модели загрязнения и принятия решений

Анализ интегрального экологического техногенного воздействия

Общая оценка экологической ситуации

Перечень управляющих решений

Рис 7 Функциональная схема интеллектуальной системы экологической безопасности В четвертой главе диссертации приведены постановка задачи и результаты оптимизации информационно-измерительной сети при проектировании автоматизированной системы экологического мониторинга Основным является требование минимизировать эту сеть, разместив, по возможности, минимальное число измерительных звеньев локальных информационно-управляющих центров наилучшим образом Задача состоит в том, чтобы выбрать места размещения локальных информационно-управляющих центров, диапазоны измерения ими концентраций загрязняющих веществ и алгоритмы обработки информации в автоматизированной системе экологического мониторинга, которые позволили бы сделать измерительную сеть дешевой, обеспечить выполнение основных функций автоматизированной системы экологического мониторинга, учесть ряд неформальных требований к местам размещения ЛИУЦ, специфику предприятия и территории

Размещение локальных информационно-управляющих центров реальной автоматизированной системы экологического мониторинга не может быть проведено на основе только формальных методов Размещение локальных информационно-управляющих центров должно обеспечивать адекватный контроль за экологической ситуацией с учетом множества неформальных факторов структурных особенностей территории, требований инженерного обеспечения системы, стоимостных ограничений, способов защиты от вандализма и др

Предлагаемый способ решения задачи состоит в разработке алгоритма пошагового построения размещения ЛИУЦ на территории, удовлетворяющего поставленным перед автоматизированной системой экологического мониторинга требованиям Работа по построению размещения должна поддерживаться программными средствами, которые функционируют в режиме диалога с проектировщиком и, оставляя за человеком принятие решений по формированию вариантов размещения локальных информационно-управляющих центров, моделируют атмосферный перенос загрязнений на основе гауссовой модели для различных режимов работы источников выбросов и различных метеоусловий, т е выполняют расчет разнообразных критериев оценки заданных проектировщиком размещений и их сопоставление

Локальные информационно-управляющие центры должны размещаться в точках, обеспечивающих высокую информативность получаемых измерительных данных для решения основных задач проектируемой системы Под информативностью измерительной сети автоматизированной системы экологического мониторинга понимается способность измерительной сети поставлять измерительную информацию в объеме, достаточном для решения системой поставленных перед нею задач Конкретные критерии информативности разнообразны

В работе исследована зависимость информативности измерительной сети от ряда факторов Пусть автоматизированная система экологического мониторинга должна сообщать лицам, принимающим решения, данные о возникновении в населенном пункте (расположенном на контролируемой территории) высоких уровней загрязнения атмосферного воздуха по вине предприятия Пусть автоматизированная система экологического мониторинга работает по следующему алгоритму сигнал тревоги выдается, если хотя бы один из локальных информационно-управляющих центров зафиксировал концентрацию загрязняющего вещества, превышающую пороговое значение концентрации 1 ПДКмр Пусть газоанализаторы, используемые на ЛИУЦ, имеют нижний порог измерений, который меньше значения 1 ПДКмр Исследовано несколько ситуаций

Ситуация 1 Пусть при определенных условиях (залповый выброс, неблагоприятные метеоусловия и тп) факел высоких концентраций накрыл населенный пункт, создав в атмосферном воздухе на его территории высокие концентрации загрязняющих веществ

Пусть в местах размещения всех ЛИУЦ концентрация будет менее нижней границы диапазона измерений газоанализаторов (см рис 8) В этом случае ни один из локальных информационно-управляющих центров не даст в автоматизированную систему экологического мониторинга никакой информации о наличии загрязняющих веществ в точке своего размещения Соответственно, сигнал тревоги не может быть выдан и не будет выдан, и автоматизированная система экологического мониторинга не справится с поставленной перед ней задачей Описанную ситуацию можно охарактеризовать как «прорыв» («проскок») облака

высоких концентраций в контролируемую область, минуя локальные информационно-управляющие центры

ЛИУЦ 1

Зона высоких крицектряций С>1 ПДК

ЛИУЦ 2

Рис 8 Иллюстрация информативности размещения Ситуация 1 Сеть ЛИУЦ (ЛИУЦ 1 и ЛИУЦ 2) не регистрирует возникновения высоких концентраций в населенном пункте

При условиях рис 8 автоматизированная система экологического мониторинга выполнит свою задачу только в том случае, если в точке расположения хотя бы одного локального информационно-управляющего центра концентрация загрязняющих веществ окажется выше 1 ПДК

Ситуация 2 Зона высоких концентраций загрязняющих веществ не захватывает населенных пунктов, однако захватывает места расположения одного или нескольких локальных информационно-управляющих центров (см рис 9) В этом случае система экологического мониторинга выдаст сигнал тревоги несмотря на то, что в населенных пунктах нет опасных концентраций Тем самым система экологического мониторинга опять не выполнит свою основную задачу, поскольку выдаст ложный сигнал тревоги

Рис 9 Иллюстрация информативности размещения Ситуация 2 Сеть ЛИУЦ (ЛИУЦ 1 и ЛИУЦ 2) выдае! ложную информацию о возникновении высоких концен фаций в населенном

пункте

Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на информативность измерительной сети, является размещение измерительных звеньев на территории, поэтому говорят об информативности размещения

Совокупность возможных технологических наборов и совокупность возможных значений метеопараметров задают ту совокупность всевозможных распределений концентраций на территории, для контроля которой проектируется автоматизированная система экологического мониторинга Каждое пространственное распределение характеризуется частотой возникновения

Информативность характеризуется с помощью различных критериев Эти критерии используются для того, чтобы сравнивать различные варианты размещения между собой, находить «слабые места» в информативности конкретных вариантов размещения Все введенные критерии являются формальными, те их значение вычисляется по заданному четкому правилу Для расчета критериев введены обозначения

X — контролируемая территория (область на местности),

хе X — точка на территории,

На X — зона контроля (область на территории X, в которой должна быть обеспечена

достоверность оценки экологической ситуации), У1, ,у„ еХ — точки размещения ЛИУЦ,

Т — множество возможных технологических наборов,

Ге Т — технологический набор,

Р(1) — вероятность возникновения данного технологического набора,

М — множество возможных наборов метеопараметров,

те М — набор метеопараметров,

Р(т) — вероятность возникновения данного набора метеопараметров,

С(х) =С(х,т,1) — уровень загазованности (концентрация загрязняющего вещества), имеющий место в точке х при технологическом наборе I и наборе метеопараметров т,

С(угт,1) = С(у1)^ = 1, ,п — уровни загазованности, зафиксированные сетью ЛИУЦ

В рамках проведенной формализации информативность характеризует взаимосвязь

между измерительной информацией, полученной в местах размещения локальных информационно-управляющих центров (т е значениями С (у,)), и значением концентрации С(х) в пределах зоны контроля

Критерий «Максимальный незарегистрированный уровень загазованности» (МНУЗ) характеризует возможность получения оценки "сверху" для значения концентрации в точке х

на основе значений концентраций в местах размещения локальных информационно-управляющих центров «Максимальный незарегистрированный уровень загазованности» в точке х - это максимальное значение концентрации П(х), которое может наблюдаться в данной точке, если все ЛИУЦ дают значение концентрации ниже заданного "порога выдачи сигнала тревоги" Сп

П(х) = П(х,М,Т,Сп) = ( г шах т)[С(т,/,*)], при те М,/е Т (2)

[со>г)<сп,/=1, ,4

Выбор величины Сп остается за проектировщиком Так, например, если Сп - 1 ПДК, то П(х) - наибольшая концентрация, которая может наблюдаться в точке при "молчащих" (т е не выдающих сигнал тревоги) ЛИУЦ Если же Сп равняется нижней границе диапазона измерений газоанализаторов, установленных на ЛИУЦ, то П(х) - максимальный нерегистрируемый сетью локальных информационно-управляющих центровуровень концентраций в точке Ясно, что в первом случае величина П(х) будет значительно выше, чем во втором

Чем ниже критерий «Максимальный незарегистрированный уровень загазованности», тем выше информативность размещения При построении рационального размещения пытаются сделать значения критерия «Максимальный незарегистрированный уровень загазованности» как можно меньше в нужных областях территории (в населенных пунктах и т п) Критерий «Максимальный незарегистрированный уровень загазованности» можно понижать, перемещая локальные информационно-управляющие центры из одной точки в другую, либо вводя дополнительные локальные информационно-управляющие центры Перемещение ЛИУЦ из одной точки в другую приводит к повышению МНУЗ в одной области и понижению в другой Добавление локальных информационно-управляющих центров не может приводить к повышению значения критерия

Рассмотренный критерий «Максимальный незарегистрированный уровень загазованности» гарантирует, что ни при каких заданных технологических наборах и метеопараметрах, в точке х превышение концентрацией значения П(х) невозможно без превышения значения Сп в местах размещения локальных информационно-управляющих центров Соответственно, для расчета значения критерия «Максимальный незарегистрированный уровень загазованности» не используется значения вероятностей возникновения различных технологических наборов и метеопараметров Однако, в ряде случаев ишерес представляют оценки типа критерия «Максимальный незарегистрированный уровень загазованности», но использующие вероятностную меру

Ситуацию превышения в точке * концентрацией барьерного значения Сб при непревышении концентрацией в местах размещения локальных информационно-управляющих центров некоторого значения Сл, т е ситуацию, для которой

С(х,т,1) > С6

тах[С(у„т,1)]<Сп- (3)

i

будем называть прорывом уровня Сб в точке х

Для точек территории, в которых критерий «Максимальный незарегистрированный уровень загазованности» принимает слишком большие с точки зрения проектировщика значения (т е в них возможны прорывы слишком большого уровня), имеет смысл говорить о значении вероятности (абсолютной или относительной) возникновения прорывов заданного уровня Введем критерии, характеризующие вероятностные характеристики возникновения различных прорывов

• вероятность превышения концентрацией барьерного значения Сб,

• абсолютная вероятность возникновения прорыва уровня С б,

• относительная вероятность возникновения прорыва уровня Сб

Абсолютная вероятность возникновения в точке х прорыва уровня Сб на заданном множестве метеопараметров М и заданном множестве технологических наборов Т определяется как вероятность того, что концентрация в точке х превышает значение Се при максимальном значении концентрации в местах размещения локальных информационно-управляющих центровменьше Сл

Рпрорыва (х,Сб) - Р„рорыеа(х, Сб, Сп, U, Т)~

\Г C(x,m,t)>C6 I

= /I шах Iе ("")]< С \ 'при m Е М''6 Т и заданиых р(т) рО (4 )

Например, при С« = Сл = 1 ПДК этот критерий дает вероятность того, что в местах размещения всех ЛИУЦ концентрации меньше 1 ПДК, а в точке х наблюдается концентрация выше 1 ПДК

Относительная вероятность возникновения прорыва уровня Сб на заданном множестве метеопараметров М и заданном множестве технологических наборов Т определяется следующим образом

Р (х,С,,Сп,М,Т) р м = Р (г С Г и Т1-- "Р°Рыва 6 (Ъ

* относит прорыва (-V * относит прорыва \Л> /> /Л !У'' '/ . _ К**}

Р (х,СЛ,м ,Т)

превыш о

В частности, при С1 = СП = 1 ПДК критерий относительной вероятности дает вероятность того, что в местах размещения всех ЛИУЦ концентрации меньше 1 ПДК на таком подмножестве метеопараметров и технологических наборов из М, Т , на котором в точке х концентрация выше 1 ПДК Этот критерий имеет смысл лишь для тех точек территории, в которых возможно превышение концентрацией барьерного значения Сб

Откликом 0(х, ш, 0 сети ЛИУЦ на возникновение концентрации С(х) в точке хе К при метеопараметрах т и технологическом наборе I назовем отношение значения наибольшей из концентраций, зафиксированных в местах расположения локальных информационно-управляющих центров, к значению концентрации в этой точке х

0(х,т,1) =

, п_

С(х,т,1)

(6)

Данная величина позволяет (для заданных гпд) оценивать сверху значение концентрации в данной точке на основе значений концентраций в местах размещения ЛИУЦ

Минимальная величина отклика 0(х, ш, Ц на подмножестве тех метеопараметров и технологических наборов, при которых концентрация С(х) превышает некоторое барьерное значение Сб, называется минимальным откликом системы ЛИУЦ на возникновение высоких уровней загазованности (ОВУЗ) в точке

т С(т, р, х) > (\

шах '-1,

С(х,т,1)

, при те М 1е Т

(7)

Понятно, чю желательно иметь значения отклика О(х) как можно большими В случае, если рассчитанное значение отклика 0(х) слишком мало и в силу этого не удовлетворяет требованиям проектировщика, можно рассмотреть вероятность того, что отклик будет иметь малое значение

Возможные варианты размещения должен строить человек (проектировщик системы) Предложенные варианты должны оцениваться с помощью используемых формальных и неформальных критериев По результатам оценок варианты размещения сравниваются между собой, и неудачные размещения отбрасываются Сравнительно удачные размещения должны анализироваться с целью выявления своих слабых мест, и на этой основе должны строиться новые размещения, лишенные выявленных недостатков

В результате последовательности шагов построения и отбрасывания неудачных вариантов формируется несколько приемлемых вариантов размещения ЛИУЦ на территории Эти варианты (совместно с результатами их оценки по используемым критериям) оцениваются проектировщиком, и на этой основе производится выбор окончательного варианта размещения Шаги построения рационального размещения выполняются по алгоритму, структурная схема которого показана на рис 10

Рис 10 Схема алгоритма оптимального размещения локальных информационно-управляющих

центров

Рассмотренные выше алгоритмы реализованы в программном комплексе "Пост" (рис 11)

Программный комплекс "Пост" предназначен для информационного обеспечения комплекса работ, связанных с построением рационального размещения на территории звеньев информационно-измерительной сети автоматизированной системы экологического мониторинга Программный комплекс обеспечивает обработку исходных данных о контролируемой территории и источниках загрязнения атмосферного воздуха, построение, сравнение и улучшение вариантов размещения на основе набора требований к системе мониторинга, свойств контролируемой территории и складывающейся на ней экологической обстановки, а также формирование выходных документов, описывающих построенное размещение

Рис 11 Состав элементов программного комплекса «ПОСТ» и схема их взаимодействия

С использованием программного комплекса ПОСТ и специалистов ВНИИХТ, ГСПИ, НПФ «ДИЭМ», а также соискателя была выполнена оптимизация размещения станций мониторинга В ходе процедуры оптимизации специалисты предлагали различные варианты, включая проектный, а ППП ПОСТ рассчитывал информационные критерии Варианты размещения станций учитывали различные возможности пробоотбора, энергоснабжения и охраны (защиты от вандализма) По проекту расположение станций АСМА (Пр1, Пр2 и ПрЗ) (рис 12) должно обеспечить систему мониторинга достаточно полной информацией об экологической обстановке на промплощадке и санитарно-защитной зоне

В итоге была выбрана в качестве оптимальной схема расположения АСМА, показанная на рис 12 (две станции АСМА, помеченные буквами «Оп» - оптимизированная схема) Информационный критерий (отклик) при переходе от трех станций по проекту к двум станциям не только не снизился, но даже возрос на 4% Однако затраты на создание и эксплуатацию, согласно расчетам проектной организации, снизились на 38% по сравнению с первоначальным проектом

В настоящее время комплекс программных средств оптимизации ПОСТ передан для промышленного применения в ГСПИ РосАтома и государственный центр учета и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных материалов

ОПТИМИЗАЦИЯ РАЗМЕЩЕНИЯ

АСМА

□ Корпусов В КорпусЭ | КорпусЭа ШШ Каргтус Эв | КорпусЭг И Корлус_10

Ц Корпус_7

I I Корпуса_1.2

| | Корпусб

Карпус_Э КорпусЭа Корпус* Корпус_5

АСМА

Каширское шоссе, 33

1) 2)

3)

4)

Рис 12 Оптимизация расположения автоматических станций мониторинга атмосферы

Выполнен системный анализ систем экологического химическою и радиационного мониторинга предприятий химического профиля с целью формальной постановки задачи оптимизации состава и размещения локальных информационно-управляющих центров Разработаны системные требования к локальным информационно-управляющим центрам, обеспечивающие повышение эффективности экологического мониторинга за счет снижения затрат на создание системы при обеспечении информативности на требуемом уровне Системные требования переданы для практического применения проектным организациям

Разработаны критерии информативности информационно-измерительной подсистемы экологического мониторинга на основе гауссовых моделей распространения загрязнений Разработан алгоритм оптимального размещения информационно-измерительной сети при проектировании системы экологического мониторинга

Разработаны программные средства оптимального размещения информационно-измерительной сети при проектировании автоматизированной системы экологического

на промплощадке ФГУП ВНИИХТ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

мониторинга Программные средства прошли тестирования на контрольных задачах и переданы для применения в ГСПИ РосАтома (государственный специальный проектный институт)

6) С использованием разработанных алгоритма и программных средств выполнена оптимизация информационно-измерительной сети автоматизированной системы экологического мониторинга ВНИИХТ При этом обеспечивается снижение затрат на создание и эксплуатацию автоматизированной системы экологического мониторинга на 38% (более 12 млн рублей) при сохранении проектной информативности системы

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Корнюшко В Ф, Кузин Р Е , Соболев А И , Шпичко О Ю Принципы построения автоматизированных систем радиационного и химического экологического мониторинга региона или мегаполиса //Труды Юбилейной Международной научной конференции памяти В В Кафарова «Методы кибернетики в химии и химической технологии» Изд МГХТУ им Д И Менделеева, 2004 г, с 203-210

2 Корнюшко В Ф, Кузин Р Е, Шпичко О Ю Обобщенный системный алгоритм формирования информационной системы // Труды Второй Международной научно-практической конференции «Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления» Изд Южно-Российского ГТУ, г Новочеркасск, 2002 г, с 37-41

3 Корнюшко В Ф, Кузин Р Е, Шпичко О Ю Проблемы векторной оптимизации в экологическом мониторинге //Труды че!вертой межвузовской конференции «Математические методы в химии и химической технологии» Изд Тамбовского ГТУ, г Тамбов, 2004 г, с 119-126

4 Шаталов В В , Никонов В И, Болдырев В А, Кузин Р Е, Землянухин В И , Шпичко О Ю Комплексная реабилитация и долговременный экологический контроль территорий, загрязненных радиоактивными отходами в результате деятельности урано-добывающих предприятий в Российской Федерации //Материалы седьмой Международной конференции «Безопасность ядерных технологий Обращение с радиоактивными отходами» Изд РИ им В И Хлопина, СПб, 2004 г

РНБ Русский фонд

2006-4 2551

о- - 8 79

Подписано в печать 18 12.2004 Формат 60x84/16 Бумага писчая

Отпечатано на ризографе Уч изд листов 1,2 Тираж 100 экз Заказ №_

Лицензия на издательскую деятельность ИД №03507 (per № 003792) код 221 Издательско-полиграфический центр МИТХТ им.М.В.Ломоносова 119571, Москва, просп Вернадского, 86