автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Применение байесовских сетей доверия для информационной поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на предприятиях нефтегазохимического комплекса

На правах рукописи

Нечеухин Кирилл Константинович

ПРИМЕНЕНИЕ БАЙЕСОВСКИХ СЕТЕЙ ДОВЕРИЯ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ ЭКОЛОГО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ НЕФТЕГАЗОХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

1 4 НОЯ 2013

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2013 г.

005538565

005538565

Работа выполнена на кафедре Эколого-экономического анализа технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова» (МИТХТ).

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Ярыгин Геннадий Андреевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Бурляева Елена Валерьевна Кандидат технических наук Якушев Сергей Андреевич

Ведущая организация:

ФБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых»

Защита состоится " 03 " " декабря " 2013 года в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.120.08 в Московском государственном университете тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова (119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86).

Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru

Реферат разослан "01" "ноября" 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Колыбанов К.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Управление охраной окружающей среды является сложным комплексным процессом, направленным на обеспечение экологической безопасности предприятий, выполнение требований природоохранного законодательства и положений корпоративной экологической политики. Активное развитие отечественного нефтегазохимического комплекса (НГХК), масштабность и многофакторность его негативного воздействия на окружающую среду ставит новые задачи по обеспечению экологической безопасности производственной деятельности и эффективному управлению охраной окружающей среды (ООС).

Одним из перспективных направлений, обеспечивающих решение таких задач, является разработка методов и средств информационной поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений. Развитие наукоемкого информационно-аналитического обеспечения в области ООС определено как один из основных механизмов совершенствования систем управления природоохранной деятельностью в рамках Основ государственной политики в области экологического развития России на период до 2030 года (утв. Президентом РФ 30.04.2012).

Проблемы, возникающие в ходе управления природоохранной деятельностью объектов НГХК: неопределенность и неполнота моделей знаний, слабая формализуемость и нестереотипность ситуаций, многофакторность негативного воздействия на ОС и множественность объектов управления, обуславливают необходимость разработки и применения специального информационного, математического и алгоритмического обеспечения для совершенствования информационных систем поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на предприятиях НГХК.

Целью работы является повышение эффективности природоохранной деятельности предприятий нефтегазохимического комплекса на основе поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений с помощью байесовских сетей доверия (БСД).

В связи с этим ставятся и решаются следующие задачи:

• проведение системного анализа проблем, возникающих в ходе принятия эколого-ориентированных управленческих решений;

• разработка алгоритмического обеспечения для использования БСД в качестве информационного программно-технического инструмента поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений;

• разработка комплекса информационно-логических моделей баз данных, обеспечивающих систематизацию информации, необходимой для поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений с использованием БСД;

• разработка методик выявления причин возникновения нерегламентированных воздействий на окружающую среду и оценки природоохранных мероприятий для предприятий нефтегазохимического комплекса с использованием БСД.

Объект исследования - система управления охраной окружающей среды промышленных предприятий нефтегазохимического комплекса.

Предмет исследования - применение специального информационного, математического и алгоритмического обеспечения на основе байесовских сетей доверия для совершенствования систем поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений. Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

• на основе методов системного анализа построена обобщенная схема процессов управления ООС на объектах НГХК, включающая в себя 3 независимых контура обратной связи;

• разработана модель байесовской сети доверия, описывающая причинно-следственные связи между результатами производственного экологического мониторинга, результатами инспекционных проверок и природоохранными мероприятиями для предприятий НХГК;

• разработаны и обоснованы алгоритмы расчета вероятностей нерегламентированных воздействий на окружающую среду для производственных объектов НХГК;

• разработан комплекс информационно-логических моделей баз данных, обеспечивающих систематизацию информации, необходимой для

поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на предприятиях НХГК;

• разработана методика выявления причин нерегламентированных воздействий на окружающую среду с использованием БСД;

• разработана методика оценки природоохранных мероприятий для предприятий нефтегазового комплекса с использованием БСД.

Практическая значимость

• выполнена эколого-экономическая оценка альтернатив природоохранных решений на примере объектов обустройства Киринского газоконденсатного месторождения;

• выполнен анализ причин нерегламентированных воздействий на окружающую среду при строительстве магистрального газопровода «Сахалин-Хабаровск-Владивосток».

Методы исследования

В основу решения поставленных задач положена методология системного анализа, в частности, методы функционального моделирования, а также модели и методы проектирования баз данных, методы построения и применения байесовских сетей доверия. Структура работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на международном форуме «Новые технологии переработки нефтяных отходов и рекультивации загрязнённых земель», международной научно-практической конференции «Интеллектуальное месторождение: мировая практика и современные технологии», международном научно-практическом семинаре «Эффективное управление комплексными нефтегазовыми проектами», научно-практической конференции «Модернизация отраслевой производственной инфраструктуры», межрегиональной специализированной выставке «Газ. Нефть. Новые технологии - Крайнему Северу». Публикации

Полученные в работе результаты изложены в 12 опубликованных работах, в том числе 5 статьей в журналах, рекомендованных ВАК РФ. По результатам работы оформлены 4 свидетельства о государственной

регистрации программ для ЭВМ, выданные Федеральной службой по интеллектуальной собственности РФ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены актуальность и практическая ценность работы. Сформулирована цель работы и поставлены задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели. Обоснованы методы исследований, научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе диссертации выполнен системный анализ процессов управления ООС на объектах НГХК. Построена классификация этих процессов по трем подсистемам регулирования, разделенным по организационному признаку:

• подсистема государственного регулирования в области ООС;

• подсистема общественного регулирования в области ООС;

• внутрикорпоративная подсистема управления природоохранной деятельностью.

В работе показано, что управление природоохранной деятельностью осуществляется по принципу обратной связи, при этом каждой из подсистем регулирования в соответствии с российским законодательством принадлежит свой независимый контур обратной связи, таким образом, на предприятиях НГКХ осуществляется тройной контроль (мониторинг) результатов природоохранной деятельности:

• производственный экологический мониторинг и контроллинг;

• государственный экологический мониторинг и надзор;

• общественный экологический контроль.

Анализ каждого из контуров обратной связи позволяет подразделить их на два основных информационных потока по типу предоставляемой информации. Так, качественная информация о состоянии окружающей среды содержится в результатах экологического контроля, а количественная — в результатах экологического мониторинга. В свою очередь, результаты экологического мониторинга могут быть условно подразделены на две подгруппы: результаты мониторинга источников воздействия и результаты мониторинга компонентов окружающей природной среды.

На рис. 1 результаты системного анализа представлены в виде обобщенной схемы процессов управления ООС на объектах НГХК. В работе показано, что непосредственная генерация различных видов эколого-ориентированных управленческих решений осуществляется в рамках управляющей подсистемы предприятия (природоохранных служб). Управляющие воздействия других подсистем регулирования выступают, таким образом, в качестве внешних требований по отношению к управляющей подсистеме предприятия.

Рис. 1. Обобщенная схема процессов управления охраной окружающей среды на объектах НГХК

В работе выявлены основные источники информации производственного экологического мониторинга (ПЭМ), в частности, автоматизированные измерительные звенья, передвижные экологические лаборатории, лаборатории экоаналитического контроля (испытательные центры), материалы внутренних (производственных) инспекционных экологических проверок. Выполнен обзор принципов построения

s

информационных систем ПЭМ, изложенных в работах В.И. Равиковича, Г.А. Ярыгина, О.В. Лукьянова.

Во второй главе диссертации в качестве формальной основы разработки информационной поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений предложено использование байесовской сети доверия. БСД представляет собой графическую логико-вероятностную модель, описывающую множество переменных и их вероятностных зависимостей. В рамках БСД объединяются три основных потока информации: результаты ПЭМ, возможные источники нерегламентированного воздействия на ОС и меры по устранению нарушений. Топология БСД описывает причинно-следственные связи между этими потоками.

Математический аппарат для расчета вероятности в БСД основан на понятии условных (байесовских) вероятностей. Представляя формулу Байеса в терминах множественных гипотез и свидетельств, получим:

гг |с с с . p(S1S2...Sn\Gt)*p(Gt-) . —

p{Jjt ...bn) = -с iг л.^гг v 1=1 •т

где p(G) - априорная вероятность гипотезы до получения опыта;

p(S\G) - условные вероятности вывода свидетельств при выполнении гипотез. Эти вероятности представляются в виде таблиц условных вероятностей (ТУВ).

Расчет вероятности возникновения событий осуществляется на основе специальных алгоритмов, основанных на переходах между вершинами в графе БСД и соответствующими операциями над ТУВ. В работе обосновано использование алгоритма, основанного на представлении БСД в виде дерева сочленений. Показано, что такой алгоритм обладает рядом преимуществ:

• представление графа в виде дерева сочленений возможно для модели БСД любой топологической сложности;

• в отличие от других алгоритмов пересчета, алгоритм, использующий представление БСД в виде дерева сочленений, позволяет получить точные, а не приближенные значения требуемых вероятностей.

Представление БСД в виде дерева сочленений требует выполнения ряда последовательных операций по преобразованию топологии БСД и таблиц условных вероятностей, в частности:

• морализацию (добавление дуг между общими вершинами-причинами для одного свидетельства);

• триангуляцию (исключение циклов, состоящих из 4 и более вершин);

• трансформацию в дерево сочленений и добавление ТУВ в модель.

Подробное описание этих преобразований приведено в

диссертационной работе. На рис. 2 представлены алгоритмы триангуляции и преобразования графа БСД в дерево сочленений. В процессе преобразований вершины графа преобразуются в вершины 2-х различных видов: «клики», содержащие ТУВ, и «сепараторы», выполняющие роль узлов обмена информацией между кликами.

Рис. 2. Алгоритмы триангуляции и преобразования графа БСД в дерево сочленений

Алгоритм вычисления вероятности в сети основывается на передаче между кликами соответствующих ТУВ через сепараторы сети. Для расчета условных вероятностей на дереве сочленений используется операция проецирования тензора условных вероятностей по переменной соседнего незаполненного сепаратора, которая осуществляется в соответствии с формулой:

рСу) = а(у,хп)1С*1"",*п) = У а (у,х1( ...,*„),

где, а(У>Х1> — > хп) — таблица (тензор) условных вероятностей;

— і хп - переменные, по которым производится проецирование.

Обобщенная блок-схема этого алгоритма расчета вероятности приведена на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм вычисления вероятности в БСД на основе дерева сочленений

Шаг 7 алгоритма осуществляется в соответствии с формулой:

п _

* П

где, а> - искомая ТУВ для незаполненного сепаратора;

ат - ТУВ рассматриваемой клики К\

а( - ТУВ сепараторов 5£;

р — множество соседних заполненных сепараторов с кликой К.

Соответственно, определение любой переменной х для вершины К на шаге 10 алгоритма производится по формуле:

п

Ух е К: Р(х) = ([]«.« П

т=1 V. Ste.fi

Результаты расчетов, полученные на основе вышеприведенного математического и алгоритмического обеспечения, были верифицированы с использованием программного продукта моделирования БСД «N61103». Результаты расчетов (с точностью округления результирующих вероятностей до 3 знака после запятой) по представленному алгоритму совпали с результатами, полученными в «Ыейса», в 100% случаев.

В главе также рассмотрены алгоритмы модификации топологии БСД на основе операций над матрицей инцидентности. Эти алгоритмы используются в случае, когда на основе результатов ПЭМ и геокодированных источников негативного воздействия возможно редуцирование БСД. Краткое формализованное описание этих операций приведено в табл. 1.

Таблица 1. Формализованное описание операций над матрицей инцидентности БСД

Операция Формализованное описание

Процедуры «восходящего» элиминирования вершин в модели БСД

Удаление избыточной дочерней вершины в модели БСД Удаление предопределенного столбца матрицы А' и строк Л, удовлетворяющих условию:

Переход к родителям удаленной вершины Выбор столбца матрицы А1, удовлетворяющего условию:

Родительская вершина имеет дочерние вершины кроме удаленной? Решение на основе условия:

Процедуры «нисходящего» элиминирования вершин в модели БСД

Удаление вершины -предка Удаление предопределенного столбца матрицы А' и строк Л/удовлетворяющих условию:

Переход к дочерним вершинам удаленной вершины Выбор столбца матрицы А!, удовлетворяющего условию: А' Э {а,у = -11(0,,,^.) е /4,3

Дочерняя вершина имеет предков кроме удаленной? Решение на основе условия: Заи = -1?|а4у € А*

В третьей главе диссертационной работы рассмотрены методики

применения БСД к задачам поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на объектах НГХК. Предложено применение БСД для решения задач 2 типов: • Задачи прогнозирования. К данному типу относятся задачи оценки вероятности возникновения последствий при наличии информации об исходных возникших событиях. Применительно к проблематике принятия эколого-ориентированных решений эта задача сводится к оценке вероятности изменений в показателях окружающей природной среды при выявлении определенных типов источников нерегламентированных воздействий на ОС.

• Задачи диагностирования. Основной целью решения такой задачи является оценка вероятности истинности гипотезы при наблюдаемых свидетельствах. В рассматриваемой проблематике такие задачи позволяют найти антропогенные причины возникновения нерегламентированных воздействий на ОС при выявлении отклонений в показателях окружающей природной среды.

В диссертационной работе выполнено функциональное моделирование процессов поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений в графической нотации IDEF0, рекомендованной Госстандартом РФ (Р 50.1.028-2001). Модель представляет собой набор диаграмм, объединенных иерархией «обобщение-детализация». В соответствии с методологией IDEF0 каждый процесс представляется в виде функционального блока, описываемого в виде кортежа:

(F,I,C,0,M),

где F - реализуемая блоком функция (Function), I - множество входных информационных потоков (Input), С - множество управляющих информационных потоков (Control), О - множество выходных информационных потоков (Output), М - множество механизмов реализации функции (Mechanism).

На начальном этапе поддержка принятия эколого-ориентированных управленческих решений рассматривается как единый процесс. Исходными данными для этого процесса являются проектная документация и результаты ПЭМ, управляющей информацией - нормативно-правовая документация, механизмы реализации требуют применения как математического и программного обеспечения, так и участия экспертов. Основными результатами процесса являются ранжированные списки возможных причин нерегламентированных воздействий на ОС и природоохранных мероприятий. Этот единый процесс далее подвергается детализации, в рамках которой выделяются 3 процесса:

• создание БСД,

• вьивление причин нерегламентированных воздействий на ОС,

• формирование стратегии природоохранной деятельности,

причем 1-й процесс предшествует двум последующим, а 2-й и 3-й -независимы друг от друга. По существу, 2-й и 3-й процессы описывают

решение задач 2-х описанных выше типов. В дальнейшем проводится декомпозиция данных процессов. Таким образом, методики решения этих задач представлены в формализованном виде в нотации ГОЕРО. На рис. 4 приведена функциональная модель анализа возможных нерегламентированных воздействий с применением БСД. Как видно из рисунка, предварительно построенная модель БСД должна быть адаптирована к сезонным изменениям природных условий с учетом территориальных факторов. Такая адаптация позволяет редуцировать БСД, выделив только часть, связанную с возможными антропогенными воздействиями на ОС. Далее выполняется расчет апостериорных вероятностей, позволяющий построить ранжированный список возможных причин нерегламентированных воздействий на ОС.

На рис.5 приведена функциональная модель формирования стратегии природоохранной деятельности, основным результатом которой является ранжированный список природоохранных мероприятий. Как видно из рисунка, для решения этой задачи БСД должна быть дополнена специальными вершинами, характеризующими природоохранные решения и затраты (ущербы).

нориатиено-праеомя документам

ранжированный список

ыатммтичмкм * Фогрммио* обеспечен««

А22

анализ возможных нерегламентированных воздействий

Рис. 4. Функциональная модель анализа возможных нерегламентированных воздействий на ОС

норматиам-прмомядс

АЗ

1тЕ формирование стратегии природоохранной деятельности

Рис. 5. Функциональная модель формирования стратегии природоохранной деятельности

Эколого-экономическая оценка, как произведение апостериорной вероятности соответствующих вершин и ущербов, причиненных данными нерегламентированными воздействиями ОС, позволяет сравнить вероятный ущерб ОС с затратами на выполнение природоохранных мероприятий и осуществить ранжирование альтернатив природоохранных решений.

В работе показано, что основными источниками информации являются:

• база данных результатов производственного экологического мониторинга (БДПЭМ);

• база данных результатов инженерно-экологических изысканий (БД ИЭИ);

• база данных нормативно-методической информации (БД НМИ).

БД ПЭМ и БД ИЭИ предназначены для хранения и систематизации измерительной информации. Подобные базы данных уже в настоящее время активно используются на объектах НГХК. В диссертационной работе логико-информационные структуры имеющихся БД дополнены с целью обеспечения логико-вероятностного вывода на основе БСД. Для решения этой задачи разработаны информационные структуры для хранения априорных

вероятностей и условных вероятностей. Информационно-логическая модель данных для хранения априорных вероятностей приведена на рис. 6.

Рис. 6. Информационно-логическая модель данных для хранения априорных и условных вероятностей

В работе рассмотрены статистические методы нахождения априорных вероятностей, основанные на результатах ПЭМ производственных объектах НГХК в 2011-2013 гг., и методы определения условных вероятностей, основанные на экспертных оценках. Оценка производилась по степени возможного влияния нерегламентированных воздействий на параметры ОС. Для оценки воздействий на параметры ОС были выбраны интегральные индексы загрязнений, установленные соответствующими нормативно-правовыми актами в области ООС. Определение групповой экспертной оценки выполнялось путем суммирования индивидуальных экспертных оценок с учетом весов компетентности.

В работе приводится алгоритм фильтрации входных сигналов (результатов ПЭМ) при их введении на слой вершин-свидетельств модели БСД, основанный на сравнении значений результатов ПЭМ с данными БД ИЭИ и БД ИМИ.

В четвертой главе рассмотрено применение разработанных в диссертационной работе моделей и методик.

Подробно рассмотрен расчет величин вероятных экологических ущербов от воздействия на водные и почвенные ресурсы на основе фрагмента модели знаний для береговых объектов обустройства Киринского газоконденсатного месторождения в районе площадки кранового узла № 1 в расчете на 6 месяцев.

Основными экологически опасными производственными объектами на данной территории являются:

• площадка временного хранения отходов;

• резервуарный парк для хранения конденсата;

• подводный переход конденсатопровода через р. Оркуньи;

• площадка бурения скважины № 2-ЗП для закачки в пласт сточных вод.

Результаты расчета априорных величин вероятных экологических ущербов по каждому из представленных типов нерегламентированных воздействий приведены в таблице 2.

Таблица 2. Априорные величины вероятных экологических ущербов

Тип иерегламентированиого воздействия Вероятная величина ушерба ОС, РУб. Возникающие штрафные санкции, руб. Вероятность возникновения Суммарная величина вероятных потерь, руб.

Нарушение правил хранения отработанного бурового раствора и промывочных жидкостей 19 048 709,75 100 000250 000 0,003 57 671,13 +/-225

Нарушения дренажа резервуарного парка конденсата 12 009 527,66 20 000100 000 0,002 24 139,06 +/-80

Нарушение изоляции площадки временного хранения отходов 36 111287,47 20 000100 000 0,0007 25 319,90 +/-28

Невыполнение берегоукрепительных мероприятий 103 517,75 40 000-50 000 0,08 11 881,42 +/- 400

Ремонт строительной техники в нерегламентированных местах 6 426,32 30 000-40 000 0,09 3 728,37 +/-28

Итого: 122739,88+/-1183

В рассматриваемом фрагменте модели БСД при выявлении, например, превышения по нефтепродуктам в водной среде с коэффициентом

превышения равным 5,6 относительно предельной допустимой концентрации (ПДК) произойдет следующее перераспределение вероятностей:

• повышение вероятности наличия следующих причин: нарушение правил хранения отработанного бурового раствора и промывочных жидкостей (с 0,003 до 0,034); нарушения дренажа резервуарного парка конденсата (с 0,002 до 0,0068); ремонт строительной техники в нерегламентированном месте (с 0,09 до 0,8150);

• повышение вероятности наличия сопутствующих загрязнителей.

Рассчитанная в соответствии с измененными исходными вероятностями апостериорная величина возможного экологического ущерба составит 806 642,69 +/- 7325 руб.

Типовыми альтернативами природоохранных решений, направленных на минимизацию величин вероятных экологических ущербов, в рассматриваемым случае являются:

• переобустройство объектов ВХО с использованием изоляционных геотекстильных материалов;

• проведение организационных мероприятий, инструктажей, направленных на разъяснение требований природоохранного законодательства и минимизацию человеческого фактора в составляющей экологического риска;

• строительство дополнительной ремонтной базы, закупка специальной техники для транспортировки сломанных транспортных средств;

• проведение дополнительного технического обслуживания строительной и иной специальной техники;

• проведение инспекционных проверок в рамках ПЭК, повышение внутрикорпоративных штрафных санкций в случае выявления нерегламентированных воздействий, обусловленных человеческим фактором;

• переобустройство дренажных систем с созданием закрытых коллекторов и специальных средств очистки вод.

Ранжирование природоохранных решений осуществляется на основе автоматизированного перебора альтернатив и сравнения результатов расчета величины изменения вероятных экологических ущербов с затратами на реализацию природоохранных решений.

Результаты ранжирования эколого-ориентированных решений представлены в таблице 3. Решения с отрицательной величиной эффекта являются неэффективными и не реализуются.

Таблица 3. Ранжирование альтернатив природоохранных решений

Природоохранное решение) Затраты, руб. Эффект, руб. Ранг

Переобустройство ВХО с использованием геотекстильных материалов 4 ООО ООО -1 178 699,57

Обустройство площадки бурения 500 ООО 461 185,48 3

Проведение инструктажей 250 ООО 430 989,18 4

Переобустройство дренажных систем 1 500 000 962 183,64 1

Проведете инспекционных проверок 1 500 000 854 139,67 2

Проведение дополнительного технического обслуживания 1 000 000 -739 014,17

Строительство дополнительной ремонтной базы 7 000 000 -6 664 819,63

Оптимальный план проведения природоохранных мероприятий вырабатывается ЛПР на основе сведений о возможности параллельного или последовательного выполнения природоохранных мероприятий, а также сведений о сроках и ресурсах, необходимых для их реализации.

В диссертационной работе рассмотрен поиск причин нерегламентированных воздействий на ОС на этапе строительства магистрального газопровода «Сахалин-Хабаровск-Владивосток». В ходе анализа базы данных производственного экологического мониторинга и контроля (БД ПЭМиК) были выделены 4 группы наиболее распространенных случаев превышения ПДК и фоновых данных в результатах ПЭМ на этапе строительства производственного объекта, по которым в дальнейшем производилась оценка:

• Тип № 1. Результаты ПЭМ: превышение в водной среде по взвешенным веществам в 2-10 над ПДК; превышение по поверхностно-активным

веществам (ПАВ) в 2-10 ПДК; превышение по химическому потреблению кислорода (ХПК) в 1-2 ПДК;

• Тип № 2. Результаты ПЭМ: превышение в водной среде по взвешенным веществам в 2-10 над ПДК; превышение по меди в водной среде 1-2 ПДК;

• Тип № 3. Результаты ПЭМ: превышение по нефтепродуктам в водной среде 1-2 ПДК; превышение по хлоридам 2-10 ПДК; превышение по ПАВ в водной среде 1-2 ПДК, превышение по железу в водной среде 1-2 ПДК;

• Тип № 4. Результаты ПЭМ: превышение по нефтепродуктам в почве 2-10 ПДК.

Максимальная абсолютная ошибка прогноза составила 2,8% для апостериорного вывода в БСД по группе результатов ПЭМ типа № 3. Минимальное значение ошибки прогноза в ряде случаев равно 0%, что свидетельствует о воспроизведении в БСД причинно-следственных связей, обеспечивающих невозможность (нулевую вероятность) возникновения определенных типов событий-причин при заданных свидетельствах.

Среднее абсолютное значение ошибки прогноза составляет:

п

Относительная средняя ошибка прогноза по совокупности групп результатов ПЭМ составляет:

5 = 1Г=1 1СУбсд ~ Уф«т)/Уф«т I „ 100% = п

Представленные данные свидетельствуют о хорошей точности прогноза вероятности наличия различных типов причин возникновения нерегламентированных воздействий на ОС на основе модели БСД, что подтверждает адекватность полученных экспертных оценок, использованных при задании таблиц условных вероятностей в модели БСД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ на основе методов системного анализа построена обобщенная схема процессов управления ООС на объектах НГХК, включающая в себя 3 независимых контура обратной связи;

разработана модель байесовской сети доверия, описывающая причинно-следственные связи между результатами производственного экологического мониторинга, результатами инспекционных проверок и природоохранными мероприятиями для предприятий

нефтегазохимического комплекса;

разработаны и обоснованы алгоритмы расчета вероятностей нерегламентированных воздействий на окружающую среду для производственных объектов нефтегазохимического комплекса; разработан комплекс информационно-логических моделей баз данных, обеспечивающих систематизацию информации, необходимой для поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на предприятиях нефтегазохимического комплекса;

разработана методика выявления причин нерегламентированных воздействий на окружающую среду с использованием БСД; разработана методика оценки природоохранных мероприятий для предприятий нефтегазового комплекса с использованием БСД. выполнена эколого-экономическая оценка альтернатив природоохранных решений на примере объектов обустройства Киринского газоконденсатного месторождения;

выполнен анализ причин нерегламентированных воздействий на окружающую среду при строительстве магистрального газопровода «Сахалин-Хабаровск-Владивосток»

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Нечеухин К.К., Ярыгин Г.А. Применение байесовских сетей доверия для информационной поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на предприятиях нефтегазохимического комплекса // «Интеграл» №4(72)/2013, - С. 10-11.

2. Нечеухин К.К., Баюкин М.В. Методологические подходы к разработке автоматизированных информационно-аналитических систем управления охраной окружающей среды для объектов переработки, хранения и сбыта нефтехимической продукции// «АвтоГазоЗаправочный Комплекс+Альтернативное топливо» №8(68)/2012,-С. 8-19.

3. Баюкин М.В., Колыбанов К.Ю., Нечеухин К.К. Интеллектуальные базы знаний и поддержка принятия решений для обеспечения экологической безопасности в период строительства и эксплуатации объектов автогазозаправочного комплекса // «АвтоГазоЗаправочный Комплекс+Альтернативное топливо» №1(70)/2013, - С. 1520.

4. Ишков А.Г., Ярыгин Г.А., Равикович В.И., Нечеухин К.К, Баюкин М.В., Информационно-управляющие системы охраны окружающей среды для объектов нефтегазового комплекса // «Газовая промышленность» №11/2012, С. 79-84.

5. А.К. Арабский, В.Р. Мурзагулов, Г.А. Ярыгин, В.И. Равикович, К.К. Нечеухин, М.В. Баюкин. Информатизация экологических функций управления ООО «Газпром добыча Ямбург» в области водопользования. // «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе» №6/2013, —С. 53-57.

Другие публикации

6. Ярыгин Г.А., Равикович В.И., Лукьянов О.В., Баюкин М.В., Нечеухин К.К. Информатизация управления охраной окружающей среды при строительстве газопроводов и обустройстве газовых месторождений на суше и на шельфе.// Ill Международный научно-практический семинар «Эффективное управление комплексными нефтегазовыми проектами», 2011 г./ Тезисы докладов,- Москва, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», - С. 39.

7. Ярыгин Г.А., Баюкин М.В., Нечеухин К.К., Погорелый A.M. Информационно-аналитические системы охраны окружающей среды при строительстве и эксплуатации нефтегазовых месторождений // Первая международная научно-практическая конференция «Интеллектуальное месторождение: мировая практика и современные технологии», 2012 г / Тезисы докладов. - Москва Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, - С. 36.

8. Ярыгин Г.А., Равикович В.И., Баюкин М.В., Нечеухин К.К. Информационные технологии в природопользовании // «Технадзор». Октябрь, 2012, - С. 80

9. Ярыгин Г.А., Равикович В.И., Баюкин М.В., Нечеухин К.К. Комплексный методологический подход к построению вертикально интегрированных информационных систем управления охраной окружающей среды // «Нефть. Газ. Новации», №10,2012,-С. 54

10. Ярыгин Г.А., Равикович В.И., Баюкин М.В., Нечеухин К.К., Погорелый A.M. Решение задач экологической безопасности на основе информационных технологий//«Национальная стратегия-2020» №7-8/2012, С. 10.

11. Ярыгин Г.А., Равикович В.И., Баюкин М.В., Нечеухин К.К. Системный подход к разработке программного обеспечения для экологов// «Экология производства» №12/2012, С. 54.

12. Г.А. Ярыгин, Равикович В.И., М.В. Баюкин, К.К. Нечеухин. Системный подход к разработке информационно-аналитических систем управления охраной окружающей среды на предприятиях нефтегазового комплекса // Сборник докладов научно-практической конференции «Модернизация отраслевой производственной инфраструктуры» (Кострома, 25-26 мая 2012 г). - Костромской государственный университет им H.A. Некрасова, С. 127-132.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

1. Свидетельство №2012660485 о государственной регистрации программы для ЭВМ «Информационно-аналитическая система управления охраной окружающей среды». Выдано Федеральной службой по интеллектуальной собственности. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 21 ноября 2012 г. (Заявка №2012618186, дата поступления 2 октября 2012 г.). Авторы: Колтыпин С.И., Баюкин М.В., Нечеухин К.К., Ярыгин Г.А., Равикович В.И., Моряков Д.В., Пономарев С.С., Рывкин Д.Б., Погорелый A.M.

2. Свидетельство №2013616763 о государственной регистрации программы для ЭВМ «Информационно-аналитическая система производственного экологического мониторинга и контроля». Выдано Федеральной службой по интеллектуальной собственности. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18 июля 2013 г. (Заявка №2013612476, дата поступления 28 марта 2013 г.). Авторы: Г.А. Ярыгин,

B.И. Равикович, М.В. Баюкин, С.И. Колтыпин, К.К. Нечеухин, Д.В. Моряков,

C.С. Пономарев, Д.Б. Рывкин

3. Свидетельство №2013613679 о государственной регистрации программы для ЭВМ «Автоматизированная система обработки лабораторных данных». Выдано Федеральной службой по интеллектуальной собственности. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 13 февраля 2013 г. (Заявка №2013610890, дата поступления 12 апреля 2013 г.). Авторы: С.И. Колтыпин, Д.В. Моряков, М.В. Баюкин, Д.Б. Рывкин, С.С. Пономарев, К.К. Нечеухин, А.И. Школьник,

B.И. Равикович, Г.А. Ярыгин, С.А Фенин.

4. Свидетельство №2013616966 о государственной регистрации программы для ЭВМ «Экологическая отчетность предприятия». Выдано Федеральной службой по интеллектуальной собственности. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 29 июля 2013г. (Заявка №2013612477, дата поступления 28 марта 2013 г.). Авторы:

C.И. Колтыпин, Д.В. Моряков, М.В. Баюкин, Д.Б. Рывкин, С. С. Пономарев, К.К. Нечеухин, Школьник А.И., В.И. Равикович, Г.А. Ярыгин, Фенин С.А.

Подписано в печать 29.10.2013. Сдано в производство 30.10.2013. Формат бумаги 60x90 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 371 Отпечатано в ООО "Фирма БЛОК" 107140, г. Москва, ул. Краснопрудная, вл.13. тел. (495) 264-3073 Изготовление брошюр, авторефератов, печать и переплет диссертаций.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В.Ломоносова»

УДК 502.1:504.5:004.891.2 На правах рукописи

04201453280

Нечеухин Кирилл Константинович

Применение байесовских сетей доверия для информационной поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на предприятиях нефтегазохимического комплекса

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (химическая промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Г.Л.Ярыгин

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................................................................3

1. Системный анализ процессов поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений............................................................9

1.1. Общая характеристика систем управления природоохранной деятельностью на объектах нефтегазохгшического комплекса............................9

1.2. Обзор существующих исследований в области систем поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений для объектов нефтегазохшшческого комплекса.............................................................................15

1.3. Обзор технологий представления экспертных знаний в условгсх неопределенности........................................................................................................16

2. Математическое обеспечение процессоов логико-вероятностного вывода на основе байесовских сетей доверия........................................................................20

2.1. Основные концепции логико-вероятностных графических моделей..........20

2.2. Математический аппарат логико-вероятностного вывода на основе байесовских сетей доверия.........................................................................................21

2.3. Корректировка топологии байесовской сети доверия................................37

3. Информационное и алогорнтмическое обеспечение процедур поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на основе байесовских сетей доверия..........................................................................................40

3.1. Информационное моделирование прог(ессов поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений. Разработка

и формализация методик применения байесовских сетей доверия.......................40

3.2. Разработка обобщенной топологии байесовской сети доверия................63

3.3. Алгоритмы сбора и обработки данных и комплекс информационно-логических моделей при использовании байесовских сетей доверия......................69

3.4. Информационное обеспечение процедур эколого-экономической оценки

с использованием байесовских сетей доверия.........................................................82

4. Результаты применения байесовских сетей доверия для информационной поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на примере предприятий нефтегазохнмического комплекса....................................89

4.1. Эколого-экономическая оценка альтернатив природоохранных решений на примере объектов обустройства Киринского

газоконденсатного местороэ!сдения........................................................................89

4.2. Апробация модели байесовской сети доверия при поиске причин нерегламентированных воздействий на этапе строительства магистрального газопровода «Сахалин-Хабаровск-Владивосток».......................97

4.3. Результаты внедрения системы поддерэюки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на объектах добычи и транспортировки углеводородов.............................................................................102

Основные результаты, полученные в диссертационной работе.......................105

Литература...................................................................................................................106

Введение

Актуальность работы. Управление охраной окружающей среды является сложным комплексным процессом, направленным на обеспечение экологической безопасности предприятий, выполнение требований природоохранного законодательства и положений корпоративных экологических политик компаний.

Активное развитие отечественного нефтегазохимического комплекса (НГХК), масштабность и многофакторность его негативного воздействия на окружающую среду ставят новые задачи по обеспечению экологической безопасности производственной деятельности и эффективному управлению охраной окружающей среды (ООС).

Исходя из организационной и технологической специфики объектов НГХК, можно выделить следующие проблемные области, возникающие при осуществлении управления природоохранной деятельностью:

• трудоемкость операций сбора и обработки больших объемов экологической информации в процессе поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений;

• территориальная распределенность производственных подразделений и объектов производственного экологического мониторинга и контроля (ПЭМиК);

• необходимость привлечения широкого круга высококвалифицированных специалистов-экспертов для оценки и интерпретации результатов ПЭМиК;

• потенциально высокая степень экологической опасности промышленных объектов и, соответственно, необходимость проведения эколого-экономической оценки в процессе планирования природоохранных мероприятий с целью минимизации величин возможных экологических ущербов.

Как следствие, принятие эколого-ориентированных управленческих решений осуществляется в условиях частичной неопределенности, вызванной отсутствием оперативной информации (по контуру обратной связи управляющей системы) о контролируемых показателях природоохранной деятельности, результатах ПЭМиК. Совокупность вышеописанных факторов требует высокой профессиональной квалификации лиц, принимающих решения (ЛПР). Объем профессиональных знаний в рассматриваемой области предполагает наличие значительного штата сотрудников, специализирующихся в различных областях охраны окружающей среды: обращение с отходами производства и потребления, охрана почв, водные отношения, оценка ущерба и юридическая квалификация выявленных экологических нарушений, оценка экологический рисков. Необходимость периодического привлечения широкого круга экспертов для оценки результатов ПЭМиК в процессе поддержки принятия решений негативно влияет на время реагирования управляющей системы в целом.

Одним из перспективных направлений, обеспечивающих решение вышеуказанных проблем, является разработка и внедрение современных информационно-аналитических систем управления охраной окружающей среды (НАС УООС) [23].

Развитие наукоемкого информационно-аналитического обеспечения в области охраны окружающей среды определено как один из основных механизмов совершенствования систем управления природоохранной деятельностью в рамках Основ государственной политики в области экологического развития России на период до 2030 года (утв. Президентом Российской Федерации 30.04.2012).

Информатизация управления охраной окружающей среды основана на системной интеграции компьютерных средств, информационных и коммуникационных технологий с целью получения новых общесистемных

свойств, позволяющих более эффективно организовать природоохранную деятельность промышленных предприятий.

Вопросам построения информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности в составе ИАС УООС, посвящены работы В.И. Равиковича, Г.А. Ярыгина, О.В. Лукьянова [38, 39, 50, 66, 67, 70, 68, 71, 77].

Ключевым компонентом ИАС УООС является система поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений (СППР). В отличие от других подсистем ИАС УООС, СППР отвечает за семантическую обработку информации и генерацию управляющих рекомендаций для лиц, принимающих эколого-ориентированные решения.

В тоже время, проблемы, возникающие в ходе управления природоохранной деятельностью объектов НГХК: неопределенность и неполнота моделей знаний, слабая формализуемость и нестереотипность ситуаций, многофакторность негативного воздействия на ОС и множественность объектов управления обуславливают необходимость разработки и применения специального информационного, математического и алгоритмического обеспечения для совершенствования информационных систем поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на предприятиях НГХК.

Вероятностный тип неопределенности, свойственный задачам управления охраной окружающей среды на объектах НГХК, определяет необходимость построения и применения в составе математического обеспечения СППР логико-вероятностных графических моделей для решения задач поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений [37, 43].

Вышесказанное определяет актуальность проведения

целенаправленных научных исследований с целью совершенствования

информационных систем поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на предприятиях НГХК.

Целью работы является повышение эффективности природоохранной деятельности предприятий нефтегазохимического комплекса на основе поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений с помощью байесовских сетей доверия (БСД).

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

• проведение системного анализа проблем, возникающих в ходе принятия эколого-ориентированных управленческих решений;

• разработка алгоритмического обеспечения для использования БСД в качестве информационного программно-технического инструмента поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений;

• разработка комплекса информационно-логических моделей баз данных, обеспечивающих систематизацию информации, необходимой для поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений с использованием БСД;

• разработка методик выявления причин возникновения нерегламентированных воздействий на окружающую среду и оценки природоохранных мероприятий для предприятий нефтегазохимического комплекса с использованием БСД.

Объект исследования - система управления охраной окружающей среды промышленных предприятий нефтегазохимического комплекса.

Предмет исследования - применение специального информационного, математического и алгоритмического обеспечения на основе байесовских сетей доверия для совершенствования систем поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

• на основе методов системного анализа построена обобщенная схема процессов управления ООС на объектах НГХК, включающая в себя 3 независимых контура обратной связи;

• разработана модель байесовской сети доверия, описывающая причинно-следственные связи между результатами производственного экологического мониторинга, результатами инспекционных проверок и природоохранными мероприятиями для предприятий НГХК;

• разработаны и обоснованы алгоритмы расчета вероятностей нерегламентированных воздействий на окружающую среду для производственных объектов НГХК;

• разработан комплекс информационно-логических моделей баз данных, обеспечивающих систематизацию информации, необходимой для поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений на предприятиях НГХК;

• разработана методика выявления причин нерегламентированных воздействий на окружающую среду с использованием БСД;

• разработана методика оценки природоохранных мероприятий для предприятий НГХК с использованием БСД.

Практическая значимость работы:

• выполнена эколого-экономическая оценка альтернатив природоохранных решений на примере объектов обустройства Киринского газоконденсатного месторождения;

• выполнен анализ причин нерегламентированных воздействий на окружающую среду при строительстве магистрального газопровода «Сахалин-Хабаровск-Владивосток».

Методы исследования. В основу решения поставленных задач положена методология системного анализа, в частности методы функционального моделирования, а также модели и методы проектирования баз данных, методы построения и применения байесовских сетей доверия.

Публикации. Полученные в работе результаты изложены в 12 опубликованных работах, в том числе 5 статьей в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ, 4 статьи в отраслевых журналах, 3 доклада на международных научно-технических конференциях. По результатам работы оформлены 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, выданные Федеральной службой по интеллектуальной собственности РФ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на международном форуме «Новые технологии переработки нефтяных отходов и рекультивации загрязнённых земель», международной научно-практической конференции «Интеллектуальное месторождение: мировая практика и современные технологии», международном научно-практическом семинаре «Эффективное управление комплексными нефтегазовыми проектами», научно-практической конференции «Модернизация отраслевой производственной инфраструктуры», межрегиональной специализированной выставке «Газ. Нефть. Новые технологии - Крайнему Северу».

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 117 страницах, включая библиографию из 93 источников, 34 рисунка и 4 таблицы.

1. Системный анализ процессов поддержки принятия эколого-ориентированных управленческих решений

1.1. Общая характеристика систем управления природоохранной

деятельностью на объектах нефтегазохшшческого комплекса

Система управления природоохранной деятельностью на предприятиях НГХК является составной частью комплексной системы управления охраной окружающей среды, главной целью функционирования которой является реализация ст. 42 Конституции РФ - обеспечение права каждого на благоприятное состояние окружающей среды [33].

Условно компоненты комплексной системы управления ООС можно классифицировать по трем подсистемам регулирования, разделенным по организационному признаку:

- подсистема государственного регулирования в области ООС;

- подсистема общественного регулирования в области ООС;

- внутрикорпоративная (производственная) подсистема управления природоохранной деятельностью.

Рассмотрим обобщенную схему процессов управления охраной окружающей среды на объектах НГХК (рис. 1.1).

Управление природоохранной деятельностью осуществляется по принципу обратной связи, при этом каждой из подсистем регулирования в соответствии с российским законодательством принадлежит свой независимый контур обратной связи, таким образом, на предприятиях НГХК осуществляется тройной контроль (мониторинг) результатов природоохранной деятельности:

- производственный экологический мониторинг и контроль, внутрикорпоративный экологический аудит;

- государственный экологический мониторинг и надзор;

- общественный экологический контроль [44].

Специально-уполномоченные органы государственной власти РФ в области * охраны окружающей среды

Требования природоохранного законодательства, нормирование и реагирование \ Корпоративная экологическая отчетность \

Корпоративный орган управления (головной офис)

Корпоративные требования системы экологического 4 менеджмента, регулирование

Природоохранная 'отчетность

Результаты общественного / контроля, обращения 1 граждан

Государственный экологический надзор государственный! мониторинг окружающей среды ^

Открытая экологическая отчетность\

Воздействие / обцественности

1 г

Общественный

экологический контроль\

Комплекс управляющих

воздействий

• регулирование ч параметров \ технологических процессов,

• организационные мероприятия

• изменение состава технологических операций

Ресурсы»

Управляющая подсистема предприятия ' (природоохранные службы

предприятия)__

Производственный экологический мониторинг мониторинг\ источников негативного воздействия

Л А

/

Инспекционные проверки

экологический аудит

Проведение природоохранных мероприятий по\ минимизации экологического ущерба

Объект управления (добыча, подготовка, транспортировка и перерабошугледоводродов)

Негативное воздействие на окружающую среду

Производственный экологический «мониторинг мониторинг окружающей среды

Компоненты природной среды

Продукция,результат -производственной деятельности

Примечание:

- Компоненты внутрикорпоративной подсистемы управления природоохранной деятельностью V. предприятия

-Компоненты подсистемы

................ ----------- и. , -ч - Компоненты подсистемы

■ ) общественного регулирования в '—>■ ) государственного регулирования

области ООС области ООС

Рис. 1.1. Обобщенная схема прог^ессов управления охраной окружающей

среды на объектах НГХК

Из представленной схемы видн