автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка системы поддержки принятия решений при формировании экологической политики города

Омский государственный технический университет

На правах рукописи

МЫЗНИКОВА ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ ГОРОДА

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях; 03.00.16 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Епифанцев Борис Николаевич

Омск-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................11

1.1. Информационная поддержка при формировании экологической политики............................................................................................................11

1.2. Выбор структурной схемы СППР ФЭПГ.................................................20

Выводы..............................................................................................................31

2. ГИС "ЭКОЛОГИЯ".........................................................................................33

2.1 Структурная схема ГИС "Экология".........................................................33

2.2. Тематические базы данных о состоянии окружающей среды и здоровья жителей.............................................................................................................38

2.3. Некоторые результаты использования ГИС.............................................47

Выводы..............................................................................................................57

3.АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СТАТУСА ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ. ОЦЕНКА СТАТУСА ДЛЯ Г. ОМСКА..........61

3.1. Алгоритм определения экологической ситуации в городе по степени загрязнения воздушной среды.........................................................................61

3.2.Алгоритм оценки экологической ситуации на территории по состоянию

почв и снегового покрова.................................................................................73

3.3 Алгоритм определения экологического статуса территории по медико-

демографическим показателям........................................................................74

Выводы..............................................................................................................78

4.МОДЕЛИ "ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОС - ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ".....................................................................................................82

4.1 .Выбор метода моделирования....................................................................82

4.2. Определение структуры разрабатываемых моделей................................88

4.3. Модели зависимости заболеваемости населения от загрязнения атмосферного воздуха......................................................................................90

4.4.Модели влияния загрязнения депонирующих сред на здоровье населения.........................................................................................................105

4.5. Анализ разработанных моделей..............................................................115

Выводы............................................................................................................120

5.ЭКОНОМИЧЕСКИЙ БЛОК СППР...............................................................122

5.1. Выбор методики оценки экономических потерь от техногенного

загрязнения окружающей среды....................................................................122

5.2 Использование "экономического блока" при решении экологических

задач в г. Омске..............................................................................................128

Выводы............................................................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Город Омск - как объект для исследования................151

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Связи показателей загрязнения сопредельных сред........155

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты оценки экологической ситуации на территории

г. Омска.............................................................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Корреляционные матрицы "загрязнение - здоровье"......186

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Оценки парных коэффициентов корреляции отдельных

показателей заболеваемости. Модели связи этих показателей....................195

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Графическое отображение исходных данных и разработанных однофакторных моделей "загрязнение - здоровье"..................................200

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Графы взаимосвязей "загрязнение депонирующих сред -

здоровье населения"..........................................................................................210

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Оценка "чувствительности" показателей заболеваемости к уровню загрязнения окружающей среды..........................................................217

ВВЕДЕНИЕ

Отличительной особенностью современного этапа развития научных исследований является усложнение объекта анализа, особенно в области принятия управленческих решений. Большинство задач являются многокритериальными, с наличием сложных взаимосвязей и априорной неопределенности. Получение результатов анализа требуется в сжатые сроки, что делает обязательным привлечение математического моделирования и современных информационных технологий. Необходимым становится разработка инструмента научных исследований для проигрывания сценариев развития ситуации с целью принятия эффективных управленческих решений. Таким инструментом является, в частности, система поддержки принятия решений (СППР), ориентированная на проблемную область.

Сложившаяся социально-экономическая и политическая ситуация в России не способствует решению экологических проблем и оценивается как кризисная [1]. Выход из кризиса предполагается осуществить путем перехода страны на модель устойчивого развития, сформулированную в Указе президента №440 от 01.04.96. При этом политика в области экономики, финансов, энергетики, сельского хозяйства, транспорта и торговли должна формироваться с обязательным учетом вопросов окружающей природной среды.

Основополагающим принципом национального плана действия России по реализации концепции устойчивого развития является обеспечение здоровья человека. Главная особенность этого принципа состоит в том, что в контурах управления социальными и экономическими системами должна циркулировать информация о состоянии здоровья населения и значимости обуславливающих его факторов (в том числе экологических). Без этой информации невозможным становится принятие эффективных решений.

Из первостепенности вопроса «о поддержании здоровья нации» вытекает необходимость формирования экологической политики, обеспечивающей снижение ущерба, наносимого техногенной сферой обществу через ухудшение здоровья людей, посредством упреждающих действий по сдерживанию будущих негативных последствий.

Управление качеством окружающей среды в стране преимущественно основывается на принципе «ликвидировать последствия», а не «предотвращать». Это объясняется, в частности, отсутствием для прогнозирования ситуации моделей, связывающих состояние здоровья населения и экономический ущерб с уровнем загрязнения окружающей среды (ОС). Для их построения необходима технология оценки эколого-экономических потерь от техногенного загрязнения ОС на базе методов математического моделирования. Оценки, получаемые на основе моделей, дают возможность выработки эффективных управленческих решений в области экологической проблематики.

Таким образом, принятие концепции устойчивого развития делает актуальным создание системы поддержки принятия решений при формировании экологической политики на базе современных информационных технологий.

Для России с ее огромной территорией, разнообразием природно-климатических, социально-экономических условий важно учесть региональную специфику. Правильный выбор территориальных единиц облегчит объединение региональных СППР в общегосударственную информационную систему, обеспечивающую поддержку принятия решений на уровне страны. В качестве минимальной территориальной единицы на этапе исследований может рассматриваться крупный промышленный город.

Целью диссертации является разработка моделей, алгоритмов, позволяющих оценить ущерб здоровью населения от антропогенного загрязнения различных природных сред, и макета СППР с использованием методов математического моделирования и вычислительной техники.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка схемы функционирования СППР при формировании экологической политики города (ФЭПГ);

- выбор программно-аппаратного инструментария для реализации макета СППР на базе современных информационных технологий,

- разработка подхода к построению математической модели, отражающей ущерб здоровью городских жителей от техногенного загрязнения ОС;

- разработка методики оценки экологического состояния городской территории (выбора показателей загрязнения окружающей среды и состояния здоровья населения, определения минимальной территориальной единицы для исследования выбранных показателей и разработки на их базе алгоритма оценки экологической ситуации в регионе по загрязнению ОС и состоянию здоровья жителей);

- выбор методики оценки и прогноза экономического ущерба, наносимого техногенной сферой обществу через ухудшение его здоровья.

При решении поставленных задач использовались методы: теории принятия решений, математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики, корреляционного и регрессионного анализа, теории алгоритмов и языков программирования, методология геоинформационных систем (ГИС), методология и терминология геохимических и медицинских исследований.

Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту, состоят в следующем:

- разработана структурная схема СППР ФЭПГ, позволяющая гибко и оперативно проигрывать разнообразные сценарии развития ситуации;

- предложена методика деления территориального комплекса на подсистемы для их сопоставления по показателям здоровья населения и загрязнения окружающей среды (с обоснованием выбора этих показателей);

- разработаны алгоритмы оценки экологической ситуации на исследуемой территории, основанные на сопоставлении анализируемых показателей с контрольными значениями, позволяющие дать мотивированное заключение об «экологическом статусе» территории (апробировано на данных г. Омска);

- предложена методика выбора структуры математических моделей «загрязнение-здоровье», сформированная на основе предварительной оценки области варьирования исходных факторов и применимая для различных территориальных образований;

- построенные на базе разработанного подхода регрессионные модели позволяют оценить влияние химического загрязнения атмосферного воздуха, снегового покрова и почвы на заболеваемость детского и взрослого населения г. Омска.

Практическая ценность работы состоит в том, что были решены следующие задачи:

- созданы базы данных о состоянии здоровья населения, загрязнении атмосферного воздуха, почвы, снегового покрова, систематизирующие данные медико-экологического мониторинга и согласованные по пространственно-временным координатам в рамках ГИС;

- сделана оценка экологического статуса адмшшстративных территорий г. Омска по разработанным алгоритмам;

-произведены прогнозные оценки экологического и экономического ущерба здоровью жителей г. Омска, обусловленного техногенным загрязнением ОС, на основе построенных моделей.

Работа над диссертацией велась в рамках госбюджетной НИР "Автоматизированный комплексный мониторинг окружающей среды и здоровья

населения".

Разработанная СППР ФЭПГ предназначена для управленческих структур города. Материалы по оценке экологической ситуации в Омске, получен-

ные в ходе диссертационного исследования, использовались Государственным комитетом по охране окружающей среды Омской области (Госкомэкологией) при подготовке ежегодного доклада (1996 г.) и пояснительной записки на государственную экологическую экспертизу для определения зон чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия.

Полученные алгоритмы, модели могут применяться при формировании экологической политики города специалистами-экспертами различного профиля (экологами, медиками, специалистами по геохимическим исследованиям). Разработанный программно - аппаратный инструмент может использоваться для научных исследований не только в экологической, но и в социальной, экономической и других областях.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Межрегиональной научно-практической конференции, посвященной 60-летию Омской области "Омский регион: исторический опыт, проблемы и пути экономического развития в современных условиях" (г. Омск, 1994); Международной научно-технической конференции "Непрерывно-логические методы и модели в науке, технике и экономике" (г. Пенза, 1995); Международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 1995); научных конференциях и семинарах ППС, научных работников и аспирантов Омского государственного технического университета в 1993-97 гг. По теме диссертации опубликовано 8 работ, включающих 3 научно-технических отчета о научно - исследовательской работе, депонированную рукопись, статью в Омском научном вестнике.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста и содержащих 38 рисунков, 24 таблиц, списка литературы, включающего 82 наименования, и 8 приложений на 75 страницах.

В первой главе выполнен обзор и анализ проблем, связанных с современным состоянием информационного обеспечения управления экологическими процессами в стране и регионах, обоснован выбор структурной схемы разработанной системы. Во второй главе описывается ГИС г. Омска "Экология" с разработанными для нее ГЙС-приложениями и базами данных, используемая в СППР для предварительной обработки данных медико-экологического мониторинга с целью применения их в других блоках СППР. Приводится методика деления городской территории на подсистемы, позволяющая проводить их сопоставление по показателям здоровья населения и загрязнения окружающей среды. В третьей главе излагается описание блока «экологический статус» с разработанными алгоритмами определения экологической ситуации в городе по загрязнению атмосферного воздуха, снегового покрова, почв и заболеваемости населения, а также оценки ситуации в г. Омске, полученные на их основе. Четвертая глава содержит обзор и выбор методов математического моделирования оценки влияния загрязнения ОС на заболеваемость населения, описание разработанного автором подхода к формированию структуры модели и построенных на его основе регрессионных моделей.

Для успешного достижения эффективных решений в области обеспечения экологической безопасности населения в диссертации разработан входящий в СППР ФЭПГ блок прогнозных и текущих оценок экономического ущерба здоровью жителей города от загрязнения ОС, который описывается в 5 главе. В главе произведен выбор метода оценки экономического ущерба здоровью на основе моделей "химическое загрязнение ОС - здоровье" и приведены полученные прогнозные оценки ущерба для г. Омска.

В приложениях обоснован выбор для исследования крупного промышленного города Омска; приведены корреляционные матрицы и регрессионные зависимости для исследуемых показателей загрязнения окружающей среды и

здоровья населения; графическое отображение однофакторных моделей (в виде линий, графов); показано определение оценки "чувствительности" показателей заболеваемости к уровню загрязнения ОС и приведены полученные оценки.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Информационная поддержка при формировании экологической политики

1.1.1. Формирование экологической политики в мире на пороге 21 века происходит под новым взглядом на взаимодействие человека, природы и техники. Конференция ООН по окружающей среде (ОС) и развитию в Рио-де-Жанейро (1992 г.) выработала концепцию устойчивого, экологически приемлемого экономического развития цивилизации [2]. Концепция предполагает интеграцию экономической, социальной и экологической политики в процессе принятия решений на законодательном и политическом уровнях. Общество, принявшее доктрину «устойчивого развития», должно научиться более точно соизмерять результаты хозяйственной деятельности и перспективы социально-экономического развития с возможностями восстановления окружающей природной среды. Это предполагает, что процесс принятия решений и на общегосударственном, и на региональном уровне должен происходить с учетом экологических проблем.

Для России "становится все более очевидным, что при сохранении негативных природоразрушающих тенденций" ее "в ближайшем будущем ожидает глобальный экологический кризис" [3]. При спаде производства на 70% выбросы загрязняющих веществ в атмосферу снизились только на 12%, растет число техногенных аварий, 70 % поверхностных и 30 % подземных вод потеряли статус питьевого значения, продолжает увеличиваться энерго-, ресурсо-, и материалоемкость производства, растет число лесных пожаров, сокращается площадь лесов, хищнически используются ресурсы животного и растительного мира [4]. Увеличивается смертность, один из