автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Развитие теории информационной поддержки средств повышения эффективности экологического мониторинга городской инфраструктуры

0050«01

На правах рукописи

Теплова Яна Олеговна

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание степени кандидата технических наук

1 МАР 2012

Москва-2012

005015714

Работа выполнена на кафедре «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального

образования «Национального «МИЭТ»

исследовательского университета

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор

Гагарина Лариса Геннадьевна

Хаханина Татьяна Ивановна

доктор технических наук, профессор, МИЭТ, зав. каф. «Общая химия и экология»

Ведущая организация

Соколов Сергей Николаевич

кандидат технических наук, ЗАО «БонаСорс», ведущий инженер-программист

Закрытое акционерное общество «Зеленоградский

нанотехнологический центр» (ЗАО «ЗНТЦ»)

Зашита диссертации состоится «Л2у>№Рта 2012 года в 16:00 на заседании диссертационного совета Д212.134.04 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Автореферат разослан « ((> »

Ученый секретарь

А.И. Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы наблюдается увеличение парникового эффекта в атмосфере, повышение степени ее загрязненности, связанное с выбросами промышленных предприятий, что оказывает влияние на состояние атмосферного воздуха как промышленных зон, так и территории жилых микрорайонов, поэтому экологический мониторинг состояния атмосферного воздуха приобретает все более актуальное значение.

При этом цели экологического мониторинга состоят не только в определении уровней загрязнения, но и в прогнозировании технико-экологических и эколого-экономических рисков на основе собираемой и обрабатываемой информации. Под технико-экологическим риском понимается риск устойчивых техногенных воздействий на окружающую среду, объекты инфраструктуры и человека.

Для сбора информации о загрязнении используются сети автоматических постов контроля загрязнения атмосферы, функционирующие в составе локальных систем экологического мониторинга (СЭМ).

Функционирование СЭМ предполагает решение всего комплекса задач, связанных со сбором, обработкой и распределением мониторинговой информации в реальном масштабе времени, что невозможно без применения эффективных методов и средств контроля природной среды, использования современных информационных технологий, в частности, ГИС-технологий, SQL-ориентированных инструментальных систем и т.д. На основе обрабатываемой информации принимаются решения по управлению экологической обстановкой.

Исследованиям в этой области посвящен ряд работ зарубежных специалистов Дж. Андерсона, Р. Гарднера, У. Хоммена, Г. Сутера, С. Бартелла, Дж. Ченга, а также отечественных ученых В.А. Осипова, Ю.А. Комиссарова, O.A. Дроздова, А.П. Шепелевского, Э.Ю. Безуглой, A.M. Горшенова, В.И. Каракеяна, В.Б. Кольцова, Т.И. Хаханиной и др. Проблема воздействия загрязнения природных сред на человека исследована, в частности, в диссертационной работе А.Ю. Ковалевой (МИЭТ), в которой предложена методология эффективного определения загрязняющих веществ в воде. Однако в указанной работе не рассмотрена задача оценки рисков без непосредственного проведения измерений.

Следует отметить, что к настоящему времени информационное

обеспечение контроля выбросов не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к автоматизированным информационно-измерительным системам и контроль осуществляется на основе современных методов анализа.

Однако проблемы совершенствования средств информационной поддержки СЭМ, в частности структур баз данных, методик прогнозирования и оценки технико-экологического риска, моделей оптимального размещения экологических постов и др. до сих пор полностью не решены.

Таким образом, актуальными являются исследования и разработка средств информационной поддержки, повышающих эффективность функционирования локальных СЭМ.

Целью диссертации является создание средств информационной поддержки локальных систем экологического мониторинга, обеспечивающих повышение эффективности процессов наблюдения, оценки и контроля состояния природной среды вблизи промышленных зон и объектов жилого сектора.

Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:

1) анализ современного состояния проблемы информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ в рамках локальных СЭМ;

2) формализация представления баз данных (БД) для создания средств информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ;

3) разработка методики проектирования БД для экологического мониторинга ОГИ, основанной на теории графов;

4) формализация задачи оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу;

5) разработка алгоритма количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу;

6) разработка методики размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы объектами городской инфраструктуры;

7) программная реализация предложенных методик для управления мониторингом ОГИ.

Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили системный подход к моделированию, элементы теории принятия решений, элементы теории вероятностей. Использованы методика информационного поиска, методы теоретического исследования, теория реляционных баз данных.

Научная новизна работы состоит в разработке совокупности научно обоснованных технических решений, направленных на создание и

• программную реализацию новых методик и средств информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ, обеспечивающих повышение оперативности обработки данных и обоснованности выбора постов контроля на основе модели количественной оценки технико-экологического риска.

В процессе исследований и разработок получены следующие научные результаты:

1. Разработано формализованное представление баз данных для создания средств информационной поддержки системы экологического мониторинга ОГИ.

2. На основе теории графов предложена методика проектирования эффективных логических структур БД для СЭМ, адаптированных под системные ограничения конкретных СУБД, сократившая время выполнения запросов в среднем на 15%.

3. Предложены формализованное представление и алгоритм количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу, с целью определения опасности совокупного воздействия загрязнения на исследуемой территории без проведения дорогостоящих экспериментов по измерению концентраций загрязнителей.

4. Разработана методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте для обоснованного проектирования сети постов экологического мониторинга и повысить точность проведения контроля параметров загрязнения без существенного увеличения числа экологических постов.

5. Предложена и верифицирована имитационная модель оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры (на примере г. Зеленограда), учитывающая данные производственного экологического контроля и данные от автоматических станций мониторинга на территории населенного пункта.

6. Осуществлена программная реализация разработанных методики и алгоритма для проектирования сетей постов экологического мониторинга в населенных пунктах и предложены новые местоположения установки постов в Зеленограде, позволяющие повысить точность измерения загрязненности в среднем на 10% без увеличения количества постов.

Результаты работы подтверждены свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ №№2009612669, 2009612670,2009612671, 2009612672.

Достоверность новых научных результатов подтверждается соответствием результатов теоретических исследований и имитационного моделирования, а также их успешным внедрением в ПНИР и НИОКР. Использование результатов работы позволяет увеличивать точность измерения загрязненности в среднем на 10%.

Практическая ценность работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение предложенных методик и алгоритма для повышения эффективности локальных СЭМ.

Проведенные исследования и полученные результаты применимы для создания программных средств экологического мониторинга производственных объектов на территории населенных пунктов. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программного обеспечения.

Самостоятельное практическое значение имеют:

• методика проектирования БД для экологического мониторинга ОГИ;

• алгоритм количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу;

• методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте;

• программная реализация предложенных методики и алгоритма.

Результаты имитационного моделирования показали, что

погрешность оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры (на примере г. Зеленограда) по результатам моделирования и на основании данных о среднегодовых значениях концентраций примесей на стационарных постах контроля атмосферного воздуха погрешность оценки технико-экологического риска не превышает 0,3%. Применение методики размещения постов мониторинга, основанной на данной оценке, позволяет повысить точность измерения загрязненности в среднем на 10% без увеличения количества постов.

Предложенные методики и алгоритм целесообразно использовать для оценки риска на территориях, где не производятся замеры концентраций примесей, а также для моделирования динамики риска при изменении параметров функционирования ОГИ (изменение интенсивности и/или состава выбросов, изменение расположения источников загрязнения и т.д.).

Личный вклад_автора. Все основные результаты

диссертационной работы получены автором лично. Главными из них являются следующие.

1. Разработано формализованное представление БД для создания информационного обеспечения системы экологического мониторинга ОГИ.

2. Разработана методика проектирования эффективных логических струюур БД для СЭМ.

3. Созданы формализованное представление и алгоритм количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу.

4. Разработана методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте.

5. Предложена и верифицирована имитационная модель оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры (на примере г. Зеленограда).

6. Создано программное обеспечение для проектирования сетей постов экологического мониторинга в населенных пунктах и предложены новые места установки постов в Зеленограде.

Автор диссертации принимал непосредственное участие в имитационном моделировании, испытаниях и внедрении результатов диссертационных исследований.

Реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Национального исследовательского университета «МИЭТ» и являлась частью исследовательских мероприятий в рамках ПНИР «Разработка теоретических основ для создания программных средств для задач информационного мониторинга распределенных производственных объектов повышенной опасности» Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (шифр заявки 2011-1.3.2-113-002/22, государственный контракт №14.740.11.1146 от 09.06.2011г., руководитель - Теплова Я. О.) и НИОКР по теме «Разработка информационной системы мониторинга экологически опасных объектов в городской инфраструктуре» проекта №14121 (договор №02/11 от 22.04.2011г., руководитель - Теплова Я.О.).

Все работы по программной реализации предложенных в работе методик проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в

учебном процессе кафедры в материалах курса «Компьютерные технологии в науке и образовании» для подготовки магистров по направлению 231000 «Программная инженерия», программа -«Программное обеспечение автоматизированных систем и вычислительных комплексов»; разработан учебно-методический комплекс дисциплины «Информационные технологии в сфере безопасности» для подготовки магистров по направлению 280700 «Техносферная безопасность», программа - «Энергетическая безопасность высоких технологий».

В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные положения:

1. Предложенная методика проектирования эффективных логических структур БД для СЭМ основана на теории графов и временных характеристиках функционирования БД, позволяет сократить время выполнения запросов в среднем на 15%.

2. Разработанный алгоритм оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу, предназначен для определения опасности совокупного воздействия загрязнения на исследуемой территории без проведения дорогостоящих экспериментов по измерению концентраций загрязнителей.

3. Разработанная методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте основана на соответствий предполагаемых местоположений определенному критерию (оценка технико-экологического риска) и применима для оптимизации существующих сетей ростов мониторинга.

4. Созданные методики и алгоритм реализованы программно. Разработана и верифицирована модель оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры г. Зеленограда. Предложены новые местоположения установки постов в Зеленограде, позволяющие повысить точность измерения загрязненности в среднем на 10% без увеличения количества постов.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях.

1) 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-2009». МИЭТ, апр. 2009 г.

2) 4th International IT Conference 2009 "LIFE IT: IT meets environmental and sustainable energy technologies", Университет г. Хаген, Хаген,Германия, май 2009.

3) Доклад по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («УМНИК»), 2009 г.

4) X Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 - проект «Разработка имитационной модели экологических процессов и рисков, связанных с экологически опасными объектами в городской инфраструктуре», 2010 г.

5) Всероссийская Конференция с международным участием «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации», Москва, ВВЦ, 25-28 октября 2011 г.

6) 4-я Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике», МИЭТ, 26-28 октября 2011 г.

По результатам исследования опубликовано 14 работ: в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень, утвержденный ВАК, тезисы докладов на конференциях - 5, публикация в межвузовском сборнике научных трудов - 1, свидетельства о регистрации программ для ЭВМ - 4. Автор диссертации является победителем конкурса проектов по программе «УМНИК», проект «Исследование информационной системы мониторинга экологически опасных объектов в городской инфраструктуре», 2009г., а также лауреатом медали ВВЦ по результатам X Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2010», проект «Разработка имитационной модели экологических процессов и рисков, связанных с экологически опасными объектами в городской инфраструктуре», 2010г..

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 179 страницах, включает 15 рисунков и 15 таблиц. Список литературы содержит 103 источника.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются общие проблемы, цели и задачи исследования, научное и практическое значение полученных результатов, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе обзорного характера проведен анализ современного состояния проблемы информационной поддержки систем экологического мониторинга.

В настоящее время вопросы создания средств информационной поддержки мониторинга ОГИ в составе локальных СЭМ разработаны

недостаточно строго. Не выявлено решений, реализующих функции моделирования и прогнозирования технико-экологических рисков при функционировании объектов городской инфраструктуры в масштабе населенного пункта. Существующие решения ориентированы в основном на поддержку производственного экологического контроля в масштабе отдельных предприятий и расчеты загрязнения окружающей среды.

Проведенный анализ также показал, что не решена проблема эффективного проектирования БД для повышения надежности хранения и оперативности обработки информации при проведении экологического мониторинга.

Таким образом, цель работы заключается в создании средств информационной поддержки локальных систем экологического мониторинга, обеспечивающих повышение эффективности процессов наблюдения, оценки и контроля состояния природной среды вблизи промышленных зон и объектов жилого сектора.

Во второй главе предложена методика проектирования баз данных, для локальных СЭМ, основанная на теории графов, с целью повышения эффективности процессов хранения и обработки информации. Определены основные БД в составе информационного обеспечения СЭМ для мониторинга ОГИ (рис. 1). Их использование обеспечивает поиск и хранение информации, связанной с экологическим мониторингом. Предложено формализованное представление баз данных на основе временных характеристик функционирования. Общее время выполнения нагрузки БД:

р0 50

т =1>;+2>/' о)

р=1 5=1

где Тр - время реализации заданного множества запросов, г/ — время

заданного множества заданий на корректировку, где Р0 - количество запросов, 50 - количество заданий на корректировку.

Время реализациир-го запроса:

(2)

где - время работы программ, выполняющих декомпозицию на подзадачи и управляющие их реализацией; - время реализации

и

запроса в локальной БД; ^ - время работы программ, собирающих

массивы промежуточных данных и формирующих результат

выполнения запроса; - время инициирования и передачи запроса в

локальную БД в составе средств информационной поддержки СЭМ. Время поиска требуемых типов записей:

^ = (^ + 0 + <°6мкБр, (3)

где ^ост - время поиска требуемых записей в локальной БД; г°ж -

время ожидания доступа и считывания информации из БД; 1°бм - время обмена между внешним запоминающим устройством и оперативной памятью; кБр - количество считываемых записей (блоков) при

выполнении £>-го запроса.

Множество типов записей, размещенных на г-и узле вычислительной сети системы экологического мониторинга, соединенных множеством логических связей, называются графом логической структуры г-то узла сети. Для определения необходимого количества локальных БД в вычислительной сети СЭМ требуется решить задачи нормализации графа логической структуры г-го узда сети, нахождения его несвязных и слабо связных компонентов, а также проектирования локальных БД для работы с конкретными СУБД.

Я(1)г = ^рг\ - множество типов записей первого уровня иерархии

графа логической структуры г-го узла в3" - минимальное множество

вершин графа в3", из которого достижимы все вершины, или база

графа. Пусть Р(Н^Г) - множество достижимости базы . Тогда

^(Я(1)г) = Нг и УН*Г с Я^(Я% фНг) . .

Ф'-ТЗЗЗШ^ЕГЗКЬСС

Пмскавфг

зБДОГИ

тгчф о

Ом® а

ЕДОП1-.тазлыкнСЗЫ

ЕДгысрогсх ОГП'Жр.

С-Згузгсвп« ¿^а^тьуистикгс арсграад

гз5г-ты зг-гп'-илг

П-оиз: ориази хгмггамктигэс

Шиз: ннф срзищц о пзэгкгтззх таЗгты дазгггзз*

Рис. 1. Структурная схема данных экологического мониторинга ОГИ в составе СЭМ Множество достижимости для каждого типа записи: множества

РФ = ф и Г2ф,и,...и.Г"ф (4)

Анализируя попарные пересечения множеств достижимости, находят несвязные компоненты графа логической структуры г-го узла

сети. Подхрафы ОрХ и Ср2 графа в3" {к% е Н® и е Н«, , кт

р1г - корневые вершины графов) являются несвязными, если РфглР(к%) = 0.

Множество типов записей и отношений, образующих несвязный подграф графа логической структуры л-го узла сети, образуют подмножество, которое используется при проектировании логических структур локальных БД системы экологического мониторинга. Необходимость выделения слабосвязных компонент логической

структуры г-го узла обоснована требованиями к оперативности работы БД и ограничениями объема хранимой информации.

В работе предложена методика проектирования БД системы экологического мониторинга ОГИ, включающая следующие этапы

Этап 1. Определение множества типов записей первого уровня

иерархии = для 1-й связной компоненты графа в3" .

Этап 2. Определение множества достижимости для каждого типа записи б {А^}:

= (5)

Этап 3. Определение = {т^} - множества попарных

пересечений множеством достижимости т^ = ^(^ш) •

Этап 4. Анализ множества М^. Если множество попарных пересечений состоит из пустых подмножеств, следует перейти к этапу 7, иначе - к этапу 5.

Этап 5. Выбор минимального подмножества тигаш множества М^ , сагс!(ттт) = т.т[сагс1(т^)], элементы которого составляют

множество вершин выделенного подграфа графа й3" .

Этап 6. Исключение из множества вершин графа в3" вершин выделенного подграфа и связей, ведущих к его коренной вершине; перейти к этапу 2.

Этап 7. Добавление к множеству выделяемых подграфов несвязных

/■"1 ли

компонентов графа , полученных в результате исключения вершин и связей.

Для подтверждения эффективности предложенной методики проведено моделирование обработки запросов к БД при использовании существующей и предложенных структур БД; общее время обработки запроса для предложенной структуры БД уменьшилось в среднем на 15% (рис. 2). Таким образом, предложенная . методика позволяет проектировать эффективные структуры БД для использования в локальных СЭМ и уменьшать время обработки запросов по сравнению с традиционной.

№ н аб о р а. гап р о со е

Рис. 2. Общее время выполнения нагрузки БД при выполнении множеств запросов и задач на корректировку данных при использовании существующей и предложенных структур БД

Третья глава посвящена разработкам алгоритма количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу, и методики размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте.

Предложено формализованное представление указанной задачи оценки технико-экологического риска, основанное на учете совокупного воздействия всех источников загрязнения (производственных объектов) в пределах рассматриваемой территории.

Территория населенного пункта с размещенными на ней ОГИ рассматривается как, совокупность прямоугольных участков (элементарных зон), для которых определяется оценка риска.

Этап 1. Определение границ исследуемой территории и размещения ОГИ, {хя,ух).

Этап 2. Формирование перечня загрязнителей, воздействие которых будет учитываться, - / и определение характеристик вредности каждого загрязнителя - а.

Этап 3. Определение интенсивности Q и состава выбросов производственных объектов в атмосферу М.

Этап 4. Территория представляется в виде множества тхп прямоугольных ячеек, т.е. территорию покрывает прямоугольная сетка. Центры ячеек сетки имеют координаты Ху,уу, где ¡я] - номера зон по

осям X и У соответственно. На территории города расположено Т точечных источников загрязнения воздуха (производственных объектов)

с координатами (хл, ух) •

Этап 5. Формирование массивов входных данных задачи.

Этап б. Определение категории опасности каждого загрязнителя в выбросах каждого производственного объекта, КОВд,-.

Этап 7. Определение категории опасности (КОП,) для каждого производственного объекта.

Этап 8. Оценка Ау, количества производственных объектов, воздействие которых наблюдается в каждой зоне.

Этап 9. Оценка совокупной опасности выбросов производственных объектов, воздействие которых наблюдается в исследуемой зоне.

Этап 10. Оценка технико-экологического риска, обусловленного выбросами производственных объектов в атмосферу на исследуемой территории по критериям для каждой зоны (участка территории):

- количество производственных объектов, воздействие которых наблюдается в рассматриваемой зоне;

- совокупная опасность выбросов производственных объектов, воздействие которых наблюдается в рассматриваемой зоне.

Воздействие, создаваемое в точке с координатами {х,у) А-м источником, определяется как функция мощности единичного источника, помещенного в начало координат, с учетом направления и скорости ветра:

<7я(*. у) = <2хАх - хх'У - Ух\ Л = 1.-.т»(б)

где Q)i - мощность источника загрязнения, г/с, /{х-*х>У~Ух)~ загрязнение, создаваемое единичным источником, помещенным в начало координат.

С учетом преобладающих метеорологических условий определяется математическое ожидание концентрации вещества в точке с координатами {х,у) от каждого из Т источников: т к

чх {х-у)=£ Е ■~ х>->у ~ а>' с>) > (?)

Д=1 1=1

где с - скорость ветра, а- направление ветра, плотность их

совместного распределения вероятностей.

Необходимо оценить степень риска на различных участках территории, подвергающейся загрязнению совокупностью примесей, имеющих различные значения ПДК и вредности.' В этом случае мощность источника загрязнения не может быть задана одним

значением, и для перехода к однокритериальной задаче предлагаются категории опасности предприятия {КОП):

т С М- V' ' ,(8)

коп = У ков, =У

И

■ где КОВ1 - категория опасности ¡-го вещества, м3/с, М/ - скорость . выброса /-й примеси в атмосферу, имеет тот же смысл, что и мощность источника по одной примеси (<2Х, ), - среднесуточная предельно

допустимая концентрация /-го вещества в атмосфере населенного пункта, мг/м3.

'Ми Мп

М =

МиЛ

М21 М-

22

м.

21

мл м,

а

М,

- матрица значений скорости выброса в

ч )

атмосферу г'-й примеси Я -м источником, г/с. гКОВхх КОВп ... КОВ/ КОВ2\ ков22 ... КОВ2!

ков =

ков,, ков,

Х\и£>12 ••• КОВц у

коэффициента опасности /-го вещества в выбросах Я -го источника.

матрица значении

Значения КОП рассчитываются при выполнении условий

М, пдк,

■>1.

иначе значения КОП приравниваются к нулю. Значения КОВ, -категории опасности вещества каждого вида загрязнителя для каждого источника загрязнения - определяются на основе собранных данных о выбросах производственных объектов.

Учитывается I видов загрязнителей, содержащихся в выбросах ОГИ. а = {аьа.2,...,а1) - множество коэффициентов для каждого

. загрязнителя, отражает оценку вредности; а,- - безразмерная константа, предназначенная для соотнесения вредности г'-го вещества с вредностью базового вещества (например, диоксид серы).

Для каждой элементарной зоны определяются величины гХу,

характеризующие наблюдаемость воздействия X -го источника в зоне с координатами центра \?у,Уу)- Величины гХу также принимают значения 1 и 0. Если оценка дх(х,у) технико-экологического риска, обусловленного воздействием Я -го источника в зоне с координатами центра [ху,уу], превышает некоторый предел (дх(х,у)> ди), то

воздействие источника считается наблюдаемым в зоне, 2Ху присваивается значение 1. Значение дн выбирается исходя из набора оценок дх (г у,у у \ Я = 1, г, / = 1, т, у = 1, п , полученного на этапе решения

задачи о количественной оценке технико-экологического риска.

|1, если воздействие источниканаблюдается в зоне; ^ ^ [0, если воздействие источникане наблюдается в зоне.

Также определяются величины Ау, характеризующие количество

г

источников, наблюдаемых в зонах: Ау = ^ Х^у .

х=1

В качестве целевой функции оценки возможного риска, рассматривается среднее количество источников, наблюдаемьгх в одной зоне, т.к. данное значение зависит также от категории опасности источников.

Схема алгоритма количественной оценки технико-экологического риска на основе данных о выбросах производственных объектов представлена на рис. 3.

Предложенная методика направлена на решение задачи эффективного размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте для обеспечения высокой точности измерения загрязненности при минимально возможном количестве точек контроля.

Число ячеек координатной сетки (элементарных зон территории) с = т-п должно быть больше числа устанавливаемых постов г, которое может варьироваться. Для каждой ячейки вводится величина ?„•:

[1, если в зоне рекомендуется установитьпост; ^^ ^ [О, если в зоне не рекомендуется установитьпост.

Если Ау >А0, то Ру = 1. Ау выбирается в зависимости от количества источников загрязнения. Задача сводится к нахождению вектора

значений Ру и построению списка зон, рекомендованных для установки

постов мониторинга. Решение об установке поста принимается на основе соответствия предполагаемого местоположения определенному критерию (оценка совокупного воздействия источников загрязнения и т.н. наблюдаемость источников загрязнения в зонах).

Задается желаемое количество устанавливаемых постов; определяется набор оценок технико-экологического риска для каждой точки территории; вычисляется г (по количеству постов) самых неблагоприятных точек, в которых предполагается установка постов.

Схема алгоритма количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу, представлена на рис. 3; далее определяется местоположение постов мониторинга загрязнения атмосферы (рис. 4).

Т.о., разработанные методика и алгоритм представляют основу средств информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ.

Рис. 3. Схема алгоритма количественной оценки технико-экологического

риска

Рис. 4. Схема алгоритма определения квадрантов размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы В четвертой главе выполнено моделирование оценки технико-экологического риска и программная реализация предложенных методик и алгоритмов.

В качестве функции, характеризующей поведение модели, использована зависимость оценки степени риска от входных условий: и г

2/ =Е

1=1

1

,/ = 1,^,(11)

ПДКмР1 \

где с,- - средние значения концентраций примесей в долях от ПДКмр (предельно-допустимые максимально-разовые концентрации), т -количество точек наблюдения.

Верифицирована модель оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры (на примере г. Зеленограда). Выбраны 12 точек на исследуемой территории, в которых произведены замеры концентраций примесей: 3 точки в жилых зонах (посты в 6-м, 11-ми 15-м микрорайонах соответственно) и по 3 точки контроля на границах санитарно-защитных зон Восточной (точки 4 -6), Южной (точки 7 - 9) и Северной (точки 10 - 12) промзон.

Использованы два вида экспериментальных данных:

1) данные о промышленных выбросах в атмосферу, собираемые в рамках производственного экологического контроля;

2) данные о концентрации вредных примесей в атмосферном воздухе, полученные от автоматических станций мониторинга на территории населенного пункта (в жилых зонах, за пределами промышленных площадок).

Получены значения оценок воздействия производственных объектов в выбранных точках по данным наблюдений на стационарных постах представленные в виде взвешенных сумм (11). Для этих же точек с использованием разработанной методики получены оценки технико-экологического риска (д/). Ниже, в таблице представлены оценки и д, для 12 выбранных точек.

Таблица. Оценки воздействия производственных объектов

1 2 3 4 5 6

gl 3,54 1,39 7,21 8,45 16,51 11,1

9/ 3,532 1,4 7,194 8,483 16,472 11,091

7 8 9 10 11 12

gi 1,78 0,72 4,82 20,61 0,13 17,23

Я! 1,776 0,72 4,821 20,565 0,1305 17,197

Из таблицы видно, что из представленных точек наименее благоприятной в жилой зоне является точка 3, в промышленной зоне -точки расположения постов в Северной промзоне.

Определена погрешность оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры по результатам моделирования:

(max ¡Ag,- [}- min j Ag,\})/2 + (max {Ag,-1} - min j Ag, [})/2 l, _ — . (12)

На диаграммах (рис. 5) представлены значения полученных оценок, из которых видно, что погрешность полученных оценок по результатам моделирования и на основании данных о среднегодовых

значениях концентраций примесей на стационарных постах контроля атмосферного воздуха не превышает 0,3 % (рис. 5).

Возможно использование алгоритма для оценки риска на участках территории, где не производятся замеры концентраций примесей, а также для моделирования динамики риска при изменении параметров функционирования ОГИ (интенсивности и/или состав выбросов, расположения источников загрязнения и т.д.).

Программно реализована методика размещения постов мониторинга; предложены новые местоположения установки постов в Зеленограде, позволяющие повысить точность измерения загрязненности в среднем на 10% без увеличения количества постов (рис. 6).

. Г--

1 2 3 4 5 6 7 В 9 10 11 12 точки иаБпюдення

Рис. 5. Сопоставление оценки совокупного воздействия примесей и оценки технико-экологического риска для 12 выбранных точек

! ~ ..... ........ ...............................

Ре

да

К;-

РХ

Г.Н.....

С!

ш т тзи

ЩА*

Рис. 6. Размещение постов мониторинга на карте Зеленограда Красным отмечены существующие точки; синим - точки, полученные с применением предложенной методики размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы.

Наиболее неблагоприятными по результатам моделирования являются предполагаемые места установки постов в 15, 18

микрорайонах Зеленограда и точки вблизи Октябрьской железной дороги и подвергающиеся значительному воздействию предприятий, расположенных в Северной и Южной промзонах. В точках с наибольшими оценками технико-экологического риска предложено размещение постов мониторинга загрязнения атмосферы (рис. б).

В приложениях представлены документы, подтверждающие внедрение полученной научно-технической продукции, а также фрагменты программной реализации разработанных методик.

В заключении отражены основные выводы и результаты диссертации.

Основные результаты и выводы

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. Разработано формализованное представление БД для создания средств информационной поддержки системы экологического мониторинга ОГИ.

2. Предложена методика проектирования эффективных логических структур БД для СЭМ, адаптированных под системные ограничения конкретных СУБД, сократившая время выполнения запросов в среднем на 15%.

3. Предложены формализованное представление и алгоритм количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу, с целью определения опасности совокупного воздействия загрязнения на исследуемой территории без проведения дорогостоящих экспериментов по измерению концентраций загрязнителей.

4. Разработана методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте для обоснованного проектирования сети постов экологического мониторинга и повысить точность проведения контроля параметров загрязнения без существенного увеличения числа экологических постов.

5. Предложена и верифицирована имитационная модель оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры (на примере г. Зеленограда), учитывающая данные производственного экологического контроля и данные от автоматических станций мониторинга на территории населенного пункта.

6. Осуществлена программная реализация разработанных методики и алгоритма для проектирования сетей постов экологического мониторинга в населенных пунктах и предложены

новые местоположения установки постов в Зеленограде, позволяющие повысить точность измерения загрязненности в среднем на 10% без увеличения количества постов.

7. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе МИЭТ в материалах курса «Компьютерные технологии в науке и образовании»; разработан учебно-методический комплекс дисциплины «Информационные технологии в сфере безопасности». Диссертационная работа являлась частью исследовательских мероприятий в рамках ПНИР (шифр заявки 2011-1.3.2-113-002/22, государственный контракт №14.740.11.1146 от 09.06.2011г.) и НИОКР, проект№14121 (договор №02/11 от22.04.2011п, руководитель -Теплова Л.О.).

Основные результаты диссертационной работы представлены в следующих публикациях.

1. Теплова Я.О., Гагарина Л.Г., Кольцова О.В. Разработка программного обеспечения для проектирования сети постов мониторинга атмосферы // Известия вузов. Электроника. - 2009. -№6(80). - С.58-63.

2. Теплова Я.О. Формализация проблемы создания программных средств мониторинга экологически опасных производственных объектов // Естественные и технические науки. - 2011. - №6. -С.513-516.

3. Теплова Я.О. Гагарина, Л.Г. Дорогов В.Г., Кольцов В.Б. Программное обеспечение для проектирования сетей постов экологического мониторинга в крупных населенных пунктах - ПО РПЭО / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009612669. -2009. - 1с.

4. Теплова Я.О. Разработка программного обеспечения для проектирования сети постов экологического мониторинга в крупных населенных пунктах // Микроэлектроника и информатика-2009: тез. докл. 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 22-24 апр., 2009). - М: МИЭТ, 2009. - С.309.

5. Teplova Ya.O., Kuznetsova N.A. Development of information system of ecological monitoring of impurity of an environment // LIFE IT: IT meets environmental and sustainable energy technologies: report abstract (Germany, Hägen, May 15-16): Germany, Hägen, University of Hägen, 2009,-P.7.

6. Теплова Я.О. Разработка программного обеспечения для

проектирования сети постов экологического мониторинга в крупных населенных пунктах // Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике: тез. докл. 3-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция (Москва, 28-30 окт., 2009). - М: МИЭТ, 2009. - С.87.

7. Теплова Я.О., Гагарина Л.Г., Джиган В.И., Гончаров A.A., Хребтов А.Ю. Проектирование и реализация модели многоканального адаптивного фильтра, предназначенной для цифровой обработки сигналов на БИС и СБИС (сверхбольших интегральных схемах), выполненной программно и аппаратно на языке программирования Assembler-DSP, основанной на параллельных вычислениях / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009612671. -2009. - 1с.

8. Теплова Я.О., Гагарина Л.Г., Котов К.С. Программный комплекс автоматизации учета продукции по изображению с видеокамеры наблюдения - ПК «АУП» / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009612670. -2009. - 1с.

9. Теплова Я. О. Разработка программного обеспечения для проектирования сети постов экологического мониторинга в крупных населенных пунктах // Методы и средства контроля технологий, материалов и изделий в микро- и наноэлектронике: сб. науч. тр. / Под ред. д.т.н., проф. В.И. Каракеяна. - М.: МИЭТ, 2009. - С.133-137.

10. Теплова Я.О., Кольцова О.В. Пространственно-временное проектирование сети постов мониторинга атмосферы города // Природообустройство. - 2011. - №1. - С.12-16.

11. Теплова Л.О. Разработка теоретических основ для создания программных средств в области экологического мониторинга производственных объектов // Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации: тез. докл. Всероссийская Конференция с международным участием (Москва, ВВЦ, 25-28 окт. 2011). - М: ВВЦ, 2011. -С.167.

12. Теплова Я.О. Формализация проблемы создания программных средств мониторинга экологически опасных производственных объектов // Тез. докл. 4-я Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике», МИЭТ, 26-28 октября 2011 г. - С. 167.

13. Теплова Я.О., Гагарина Л,Г. Соляков A.A. Программный комплекс

«Сателлит», ПКС / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009612672. - 2009. - 1 с.

14. Теплова Я.О., Гагарина Л.Г. Исследование моделей и алгоритмов для автоматизированной системы мониторинга экологически опасных объектов в городской инфраструктуре // Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России. - 2010. - №4. - С.83-87.

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. /,'3. Тираж экз. Заказ № ® •

Отпечатано в типмрафии ШЖ МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

61 12-5/1970

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИСССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИЭТ»

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

На правах рукописи

ТЕПЛОВА Яна Олеговна

на соискание степени

кандидата технических наук

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

Л.Г. Гагарина

Москва 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................5

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ..............................................................................................15

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ........................................................................19

1.1. Основные виды экологически опасных объектов в городской инфраструктуре ...........................................................................................................................................19

1.2. Классификационные характеристики и виды рисков, связанных с функционированием экологически опасных объектов...............................................20

1.3. Наиболее распространенные принципы оценки экологического риска.............22

1.4 Используемые подходы к организации информационного обеспечения экологического мониторинга объектов повышенной опасности...............................25

1.4.1. Основные задачи обработки информации в задачах экологического мониторинга на территории населенных пунктов.......................................................25

1.4.2. Базовые принципы сбора информации в задачах экологического мониторинга на территории населенных пунктов..............................................................................30

1.4.3. Использование экологических показателей в процессе обработки информации о загрязнении окружающей среды промышленными выбросами.......36

1.5. Производственный экологический контроль в задачах информационного обеспечения мониторинга экологически опасных объектов......................................38

1.6. Исследование и анализ существующих подходов к построению и использованию информационных систем в задачах экологического мониторинга объектов повышенной опасности..................................................................................46

1.6.1. Экологические информационные системы........................................................46

1.6.2. Региональные эколого-информационные системы...........................................47

1.6.3. Информационные системы для управления производственным

экологическим контролем на предприятии..................................................................49

2

1.7. Постановка задачи диссертации.............................................................................52

Выводы по главе............................................ ...................................................................54

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР БАЗ ДАННЫХ ДЛЯ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА............................................................................................................56

2.1. Исследование подходов к организации баз данных в составе систем экологического мониторинга.........................................................................................56

2.2. Формализованное представление баз данных для локальных СЭМ..................63

2.3. Проектирование оптимальных логических структур баз данных для систем

экологического мониторинга.........................................................................................71

Выводы по главе........................................... ...................................................................75

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАЗМЕЩЕНИЯ ПОСТОВ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИКА, ОБУСЛОВЛЕННОГО ВЫБРОСАМИ ОБЪЕКТОВ ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ......................................................76

3.1. Данные для оценки экологических рисков на территории населенных пунктов ...........................................................................................................................................76

3.2. Формализация оценки степени риска при функционировании распределенных

экологически опасных производственных объектов...................................................90

Выводы по главе............................................................................................................105

4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМА СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ..........................................................................107

4.1. Требования к программным средствам для ПО ОГИ.........................................107

4.2. Параметры программной реализации методов и алгоритмов ПО ОГИ...........109

4.3. Состав и назначение программных средств ПО ОГИ для оценки и моделирования экологического риска........................................................................111

4.4. Моделирование и верификация модели количественной оценки технико-экологического риска на территории населенного пункта.......................................116

4.4.1. Анализ экспериментальных данных о загрязнении атмосферного воздуха в г.

Зеленограде....................................................................................................................117

4.4.2. Оценка функционирования программной реализации для ПО ОГИ.............121

Выводы по главе............................................................................................................128

Заключение....................................................................................................................129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..........................................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..........................................................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..........................................................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ 4..........................................................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В последние годы наблюдается увеличение парникового эффекта в атмосфере, повышение степени ее загрязненности, связанное с выбросами промышленных предприятий, что оказывает влияние на состояние атмосферного воздуха как промышленных зон, так и территории жилых микрорайонов, поэтому экологический мониторинг состояния атмосферного воздуха приобретает все более актуальное значение.

При этом цели экологического мониторинга состоят не только в определении уровней загрязнения, но и в прогнозировании технико-экологических и эколого-экономических рисков на основе собираемой и обрабатываемой информации. Под технико-экологическим риском понимается риск устойчивых техногенных воздействий на окружающую среду, объекты инфраструктуры и человека.

Указанная проблема особенно обострилась в связи с значительным увеличением степени антропогенного воздействия на окружающую среду, обусловленным урбанизацией, развитием ресурсоемких отраслей производства, развитием транспортной инфраструктуры при возрастающих требованиях к экологическим стандартам в области техносферной безопасности, в частности, международным. Проблема наиболее актуальна для производственных объектов, какими, например, являются предприятия в промышленных зонах в населенных пунктах, технопарки, градообразующие предприятия и др.

Для сбора информации о загрязнении используются сети автоматических постов контроля загрязнения атмосферы, функционирующие в составе локальных систем экологического мониторинга (СЭМ).

Функционирование СЭМ предполагает решение всего комплекса задач, связанных со сбором, обработкой и распределением мониторинговой информации в реальном масштабе времени, что невозможно без применения эффективных методов и средств контроля природной среды, использования современных

информационных технологий, в частности, ГИС-технологий, 8С>Ь-

5

ориентированных инструментальных систем и т.д. На основе обрабатываемой информации принимаются решения по управлению экологической обстановкой.

Исследованиям в этой области посвящен ряд работ зарубежных специалистов Дж. Андерсона, Р. Гарднера, У. Хоммена, Г. Сутера, С. Бартелла, Дж. Ченга, а также отечественных ученых В.А. Осипова, Ю.А. Комиссарова, O.A. Дроздова, А.П. Шепелевского, Э.Ю. Безуглой, A.M. Горшенова, В.И. Каракеяна, В.Б. Кольцова, Т.И. Хаханиной и др. Проблема воздействия загрязнения природных сред на человека исследована, в частности, в диссертационной работе А.Ю. Ковалевой (МИЭТ), в которой предложена методология эффективного определения загрязняющих веществ в воде. Однако в указанной работе не рассмотрена задача оценки рисков без непосредственного проведения измерений.

Следует отметить, что к настоящему времени информационное обеспечение контроля выбросов не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к автоматизированным информационно-измерительным системам и контроль осуществляется на основе инструментально-лабораторных методов анализа.

Однако проблемы совершенствования средств информационной поддержки СЭМ, в частности структур баз данных, методик прогнозирования и оценки технико-экологического риска, моделей оптимального размещения экологических постов и др. до сих пор полностью не решены.

Таким образом, актуальными являются исследования и разработка средств информационной поддержки, повышающих эффективность функционирования локальных СЭМ.

Целью диссертации является создание средств информационной поддержки локальных систем экологического мониторинга, обеспечивающих повышение эффективности процессов наблюдения, оценки и контроля состояния природной среды вблизи промышленных зон и объектов жилого сектора.

Задачи исследования. Исходя из поставленной цели были выделены следующие задачи диссертационного исследования:

1) анализ современного состояния проблемы информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ в рамках локальных СЭМ;

2) формализация представления баз данных (БД) для создания средств информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ;

3) разработка методики проектирования БД для экологического мониторинга ОГИ, основанной на теории графов;

4) формализация задачи оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу;

5) разработка алгоритма количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу;

6) разработка методики размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы объектами городской инфраструктуры;

7) программная реализация предложенных методик для управления мониторингом ОГИ.

Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили системный подход к моделированию, элементы теории принятия решений, элементы теории вероятностей. Использованы методика информационного поиска, методы теоретического исследования, теория реляционных баз данных.

Научная новизна работы состоит в разработке совокупности научно обоснованных технических решений, направленных на создание и программную реализацию новых методик и средств информационной поддержки экологического мониторинга ОГИ, обеспечивающих повышение оперативности обработки данных и обоснованности выбора постов контроля на основе модели количественной оценки технико-экологического риска.

Специалисты в области разработки систем автоматизированного мониторинга окружающей среды касались научной проработки некоторых аспектов проблемы повышения эффективности СЭМ городской инфраструктуры за счет информационной поддержки мониторирнга. информационного мониторинга

экологически опасных объектов. Существуют публикации в периодической печати, материалы научно-практических конференций и семинаров, посвященные данной проблематике. Тем не менее, крупные обобщающие работы по данной теме не выявлены. Таким образом, решение задачи развитие теории информационной поддержки экологического мониторинга городской инфраструктуры является актуальным исследовательским направлением.

Объективность оценки возможных последствий от функционирования объектов повышенной опасности напрямую зависит от теоретической базы, положенной в основу используемого инструментария моделирования рисков. В настоящее время остается нерешенной научная проблема математического обоснования возможных рисков в данной области, а существующие средства контроля экологической обстановки главным образом позволяют отобразить статистическую картину по текущей информации. Решения в области управления рисками и, в частности, в области защиты окружающей среды принимаются на основании местных нормативов на уровне отдельных организаций.

В то же время, использование методов имитационного моделирования позволит на основ обработки данных производственного экологического контроля получать достоверные результаты оценки рисков, обусловленных воздействиями ОГИ, моделировать возможные последствия и принимать обоснованные решения о разработке мероприятий по снижению рисков и охране окружающей среды, т.к. имитационное моделирование представляет собой численный метод проведения вычислительных экспериментов с математическими моделями, имитирующими поведение реальных объектов (процессов, систем), в течение заданного времени. Кроме того, использование оценки технико-экологических рисков позволит проводить обоснованное проектирование сетей постов мониторинга загрязнения окружающей среды с целью повышения достоверности проводимых измерений.

В диссертационной работе осуществлено решение научной проблемы разработки основ для создания средств информационной поддержки.

В процессе исследований и разработок получены следующие научные

результаты.

В процессе исследований и разработок получены следующие научные результаты:

1. Разработано формализованное представление баз данных для создания средств информационной поддержки системы экологического мониторинга ОГИ.

2. На основе теории графов предложена методика проектирования эффективных логических структур БД для СЭМ, адаптированных под системные ограничения конкретных СУБД, сократившая время выполнения запросов в среднем на 15%.

3. Предложены формализованное представление и алгоритм количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу, с целью определения опасности совокупного воздействия загрязнения на исследуемой территории без проведения дорогостоящих экспериментов по измерению концентраций загрязнителей.

4. Разработана методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте для обоснованного проектирования сети постов экологического мониторинга и повысить точность проведения контроля параметров загрязнения без существенного увеличения числа экологических постов.

5. Предложена и верифицирована имитационная модель оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры (на примере г. Зеленограда), учитывающая данные производственного экологического контроля и данные от автоматических станций мониторинга на территории населенного пункта.

6. Осуществлена программная реализация разработанных методики и алгоритма для проектирования сетей постов экологического мониторинга в населенных пунктах и предложены новые местоположения установки постов в Зеленограде, позволяющие повысить точность измерения загрязненности в среднем на 10% без увеличения количества постов.

Результаты работы подтверждены свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ №№2009612669, 2009612670, 2009612671, 2009612672.

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов теоретических исследований и имитационного моделирования, а также их успешным внедрением в реально функционирующую локальную систему экологического мониторинга. Использование результатов работы позволяет увеличивать точность измерения загрязненности в среднем на 10%.

Практическая ценность работы ззаключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение предложенных методик и алгоритма для повышения эффективности локальных СЭМ.

Проведенные исследования и полученные результаты применимы для создания программных средств экологического мониторинга производственных объектов на территории населенных пунктов. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программного обеспечения.

Самостоятельное практическое значение имеют:

• методика проектирования БД для экологического мониторинга ОГИ;

• алгоритм количественной оценки технико-экологического риска, обусловленного выбросами ОГИ в атмосферу;

• методика размещения постов мониторинга загрязнения атмосферы в населенном пункте;

• программная реализация предложенных методики и алгоритма.

Результаты имитационного моделирования показали, что погрешность

оценки технико-экологического риска объектов городской инфраструктуры (на примере г. Зеленограда) по результатам моделирования и на основании данных о среднегодовых значениях концентраций примесей на стационарных постах контроля атмосферного воздуха погрешность