автореферат диссертации по строительству, 05.23.19, диссертация на тему:Управление экологической безопасностью автотранспортной системы города на принципах биосферной совместимости

На правах рукописи

Бакаева Наталья Владимировна

УПРАВЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ АВТОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ГОРОДА НА ПРИНЦИПАХ БИОСФЕРНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

О 5 СЕН ¿013

Орел-2013

005532545

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (г. Орел) на кафедре «Строительство автомобильных дорог».

Научный консультант: Константинов Игорь Сергеевич

доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: Щербина Елена Витальевна

доктор технических наук, профессор; ФГБОУ ВПО (НИУ) «Московский государственный строительный университет», заведующая кафедрой «Городское строительство и экологическая безопасность» Шубин Игорь Любнмовнч доктор технических наук; федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук» (НИИСФ РААСН), директор Желтобрюхов Владимир Федорович доктор технических наук, профессор; ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 30 сентября 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.09, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК».

Автореферат разослан «¿3» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Г\ П в и Раков

д-р техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день города, ставшие ведущей формой человеческого поселения, и созданная человеком городская среда, являются центрами современной техногенной цивилизации. Однако развитие цивилизации при недостаточном учете законов взаимодействия между обществом и природой сопровождается значительным воздействием на компоненты природной среды, что чревато катастрофическими последствиями для биосферы и человека как ее части. В целом пока не удалось достичь принципиальных положительных тенденций изменения качества жизни людей на урбанизированных территориях, что, прежде всего, связано с используемой идеологией - «люди для предприятий», «люди для системы» и «люди для города». В итоге современные российские города и поселения постепенно превращаются из центров развития цивилизации в источники разрушения окружающей природы и деградации населения.

Поэтому насущной проблемой, стоящей перед обществом, является создание условий для самоподдерживающего развития городов на основе единения природы и городского хозяйства в интересах достижения и сохранения необходимого уровня качества жизни как нынешнего, так и будущего поколений людей. Решение этой проблемы во многом связано с преодолением негативных последствий, обусловленных особенностями и противоречиями процесса современной урбанизации.

Автотранспортная система (АТС) является частью системы жизнеобеспечения городского хозяйства и важной составляющей в реализации функций города, а ее объекты - источниками мощного техногенного воздействия на окружающую среду. Сложившаяся неблагоприятная экологическая ситуация в большинстве мегаполисов и крупных городов является следствием того, что чаще всего критерием эффективности функционирования транспортных систем служат получение прибыли и расширение масштабов бизнеса, а не сбалансированность и устойчивость городской среды на основе приоритетов ресурсосбережения, экологичности и безопасности. В итоге констатируются: рост потребления невозобновляемых природных ресурсов, вредных выбросов и неутилизируемых отходов и, соответственно, - увеличение ущерба от этих воздействий и затрат на содержание и развитие объектов автотранспортной инфраструктуры. При этом важным результатом анализа деятельности автотранспортной системы является вывод, характеризующий ее способность как сложной организационно-технической структуры функционировать, удовлетворяя необходимые экономические потребности во взаимодействии с природной средой.

Вместе с тем, распространенная точка зрения о том, что переход к рыночной модели экономического развития и концепции делегированного саморегулирования автоматически позволит решить все экологические проблемы оказалась несостоятельной. Рынок плохо приспосабливается к действиям, имеющим перспективную направленность в отношении интересов будущих поколений и связанным с использованием ресурсов, находящихся в общественной собственности. Отечественный опыт потребления природных ресурсов и неутешительные данные статистики в области экологической безопасности полностью подтверждают данный тезис.

С этих позиций существующие традиционные подходы к управлению экологической безопасностью автотранспортной системы города, несмотря на проведенные научные исследования, не в полной мере могут обеспечить условия адаптивности системы по отношению к динамике и особенностям городской среды. Возникает задача разработки научных основ управления экологической безопасностью автотранспортной системы города на новой концептуальной основе, опирающейся, с одной стороны, на известные фундаментальные положения и полученные ранее результаты в этой облас-

ти, и учитывающей, с другой стороны, междисциплинарный характер исследований. Такой подход к управлению должен быть направлен на саморегулирование жизнедеятельности, формирование новой понятийной схемы переосмысления общественных интересов, разработку гуманитарных технологий преодоления патологии сознания человека и антагонистического отношения к природе. В теоретическом плане эта задача пока находится в стадии постановки, и имеется мало примеров ее практической реализации, тем более в части построения систем управления. Это предопределяет наличие проблемы настоящего диссертационного исследования, актуальность ее решения в едином комплексе задач социально-экономического и соответствующего научно-технического развития урбанизированных территорий и охраны окружающей среды.

В качестве концептуальной основы управления экологической безопасностью автотранспортной системы города принята разработанная Российской академией архитектуры и строительных наук новая мировоззренческая парадигма биосферной совместимости, связывающая удовлетворение рациональных потребностей человека с устойчивым региональным (территориальным) развитием и эволюционными преобразованиями в сознании людей.

Цель диссертационной работы - разработка научных основ управления экологической безопасностью автотранспортной системы города на принципах биосферной совместимости и прогрессивного развития урбанизированных территорий.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- провести анализ современных методов обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы как инфраструктурной составляющей городского хозяйства и существующих концепций управления экологической безопасностью;

- разработать принципы создания технологии обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города;

- построить концептуальную модель экологической безопасности автотранспортной системы и выполнить ее теоретико-множественное представление как объекта управления;

- сформулировать критерии оценки экологической безопасности автотранспортной системы города на основе баланса био- и техносферы;

- разработать модели и алгоритмы оценки, прогнозирования и управления экологической безопасностью автотранспортной системы города;

- построить структурную модель автоматизированной системы управления и детализировать ее основные подсистемы в качестве современного средства обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города;

- провести экспериментальные и численные исследования методов и алгоритмов управления экологической безопасностью автотранспортной системы (на примере г. Орла), включающие экологический мониторинг, прогнозирование, обоснование и оценку эффективности принятия управленческих решений;

- разработать практические рекомендации по обеспечению экологической безопасности и перспективному развитию автотранспортной системы и способы их реализации в программах и проектах развития города с оценкой эколого-экономической эффективности предлагаемых мероприятий.

Объект исследования - процесс обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города как ключевого фактора создания безопасной и комфортной городской среды.

Предмет исследования - принципы и подходы к управлению экологической безопасностью автотранспортной системы города и обеспечивающие их модели, методы, методики и алгоритмы.

Методы исследований базируются на основных положениях системного анализа, теории моделирования систем, методах математической статистики и прогнозирования, теории множеств и математической логике, экспертных оценках, нечеткой логике, методах автоматизированного управления и принятия решений и других.

Научная новизна работы заключается в разработке нового подхода к управлению экологической безопасностью автотранспортной системы города, содержащего совокупность взаимосвязанных научных элементов, в частности:

- разработаны принципы создания технологии обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города, базирующиеся на положениях парадигмы биосферной совместимости, способствующие преобразованию автотранспортной системы в экологически безопасную и комфортную структуру, развивающую человека;

- построена концептуальная модель экологической безопасности, основывающаяся на системном представлении автотранспортной системы города в виде открытой динамической структуры, и отличающаяся содержанием в ее составе взаимодействующих частей: технической, природной и социальной;

- сформулированы критерии оценки экологической безопасности автотранспортной системы города и эффективности принимаемых решений по управлению экологической безопасностью, в основе которых положены тройственный баланс био-, ноо- и техносферы и показатели реализации функций города;

- предложена структурная модель экологической безопасности автотранспортной системы города как модель объекта управления, отличительной особенностью которой является ее многокомпонентное представление в виде природо-социо-технической системы;

- предложены принципы развития системы мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города, базирующиеся на учете внутреннего и внешнего направлений ее функционирования, и ориентированные на комплексную оценку состоянии городской среды;

- разработан алгоритм формирования и выбора управляющих воздействий по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы города, построенный на принципах адаптивного управления к изменяющейся экологической ситуации, и использующий модели оценки, прогнозирования и критерии на основе баланса био-, ноо- и техносферы.

Практическая ценность заключается в том, что управление, базирующееся на принципах биосферной совместимости, как новая технология обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города, позволяет:

- использовать предлагаемые принципы мониторинга при комплексной оценке состояния городской среды от негативного техногенного воздействия объектов автотранспортной инфраструктуры;

- применять результаты моделирования экологических ситуаций на урбанизированных территориях, и осуществлять на их основе прогнозы экологической безопасности автотранспортной системы города;

- применять предложенный теоретико-методологический аппарат для решения практических задач построения специализированных систем управления экологической безопасностью автотранспортной системы города;

- разрабатывать конкретные предложения по экологической реконструкции урбанизированных территорий транспортного назначения и проекты программ перепек-

тивного инновационного развития автотранспортной системы в комплексе с социальными, природно-климатическими, экологическими, экономическими и другими факторами;

- разрабатывать научно обоснованные рекомендации по внедрению биосферосов-местимых технологий на объектах автотранспортной инфраструктуры и оценивать их эколого-экономическую и социальную эффективность.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается применением современных методов исследования с использованием сертифицированных средств измерения; представительными объемами выборок, воспроизводимостью и согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований; положительным опытом их внедрения и апробации на практике.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Принципы создания новой технологии обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города.

2. Концептуальная и структурная модели экологической безопасности автотранспортной системы города и ее теоретико-множественное представление.

3. Критерии оценки экологической безопасности автотранспортной системы города и эффективности принимаемых управленческих решений.

4. Функциональная модель мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города и структурная модель системы его реализации.

5. Методика количественной оценки вклада автотранспортной составляющей в реализацию функций города.

6. Результаты экспериментальных и численных исследований по оценке и прогнозированию экологической безопасности автотранспортной системы города на основе построенных моделей, алгоритмов и реализованных методик.

7. Рекомендации по обеспечению экологической безопасности и инновационному развитию объектов автотранспортной инфраструктуры на основе принципов биосферной совместимости.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях, симпозиумах и семинарах различных уровней и получили положительную оценку. Основные из них: 1-У1 Международные научно-практические Интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век» (г. Орел, 2002-2008 гг.); VI Российская научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2003 г.), научно-практический семинар «Экологическая безопасность региона: опыт, проблемы, пути решения» (Орел, 2004 г.), международная научно-техническая конференция «Приборостроение - 2004» (Винница-Ялта, 2004 г.), Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2004 г.), Всероссийская научно-практическая конференции «Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы» (Киров, 2007 г.), V и VI Всероссийские научно-технические конференции «Политранспортные системы» (Красноярск, 2007 г., Новосибирск, 2009 г.), VIII Российская научно-практическая конференция «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2007 г.), Международные академические Чтения «Биосферно-совместимая безопасная среда обитания с позиций архитектурно-градостроительного комплекса» (Брянск, 2007 г.), V Международная научно-техническая конференция «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (Пенза, 2008 г), III, IV, V Международные научно-технические конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (Орел, 2008 г., 2010 г., 2012 г.), Международный научно-практический семинар «Человек и развитие биосфе-

ро-совместимых городов» (Орел, 2009 г), Международная научно-практическая Ин-тернет-конферешдая «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2010 г)., координационное совещание по междисциплинарной тематике РААСН «Биосферосовместимые города и поселения» (Москва, 2011 г.), VII, VIII, IX Крымские Международные научно-практические конференции «Геометрическое и компьютерное моделирование: энергосбережение, экология, дизайн» (Симферополь, 2010-2012 гг.), Общее собрание РААСН «Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2011 году» (Москва, 2012 г.), II Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: теория и практика» (Казань, 2012 г.), Российско-германский семинар «Biospha-renkompatibilitat von Städten» (Мюнхен, 2010 г.) Международный семинар «Строительный менеджмент» (Дрезден, 2012 г.), «Энергоэффективность в строительстве» в рамках русских дней строительной науки в Германии (Мюнхен, 2012 г.) и др.

Кроме этого, результаты работы регулярно обсуждались на отчетных заседаниях Отделения строительный наук РААСН (2010-2012 гг.), научных семинарах и конференциях профессорско-преподавательского состава МАДИ (14'У), ОрелГТУ (Госуниверситет - УНПК), Брянской ГИТА, Юго-Западного госуниверситета.

Реализация результатов работы состоялась при выполнении исследований по проектам аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Минобранауки России, разделов Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на период 2008-2012 гг., а также в рамках следующих НИР и грантов:

- «Разработка методического обеспечения и оптимизация материально-технической базы регионального центра коллективного пользования для научных исследований в области строительства, транспорта и жилищно-коммунального комплекса», 2003-2004 г., № ГР 0120.0 405654;

- «Разработка концепции обеспечения безопасности объектов системы высшего профессионального образования и целевой программы предупреждений и защиты от чрезвычайных и кризисных ситуаций», 2006-2008 гг., № ГР 0120.0 603654;

- «Разработка концепции устойчивого биосферно-совместимого функционирования объектов системы высшего профессионального образования и целевой программы предупреждений и зашиты от чрезвычайных и кризисных ситуаций», 2009-2011 гг., №ГР 01.2.00 901049;

- «Создание модели биосферно-совместимой системы «человек-среда-город» с позиции архитектурно-градостроительного комплекса», 2009-2010 гг., грант РФФИ №09-08-13658;

- «Разработка критериев для оценки биосферной совместимости поселений и подготовка предложений по совершенствованию критериев развития человека с позиций архитектурно-градостроительного комплекса, 2008-2012 гг.;

- «Разработка принципов и методологии расчета гуманитарного баланса биотехносферы в архитектурно-строительном комплексе», 2011-2012 гг.;

- «Развитие принципов и создание научных основ повышения экологической безопасности городской среды с позиции биосферной совместимости», выполняемой в рамках государственного задания Минобрнауки России в 2012-2013 гг., № 7.1694.2011;

- «Моделирование и прогнозирование экологической безопасности территорий на основе ИКТ систем», выполняемой в рамках государственного задания Минобрнауки России в 2012-2013 гг., № 7.2285.2011.

Внедрения в практику проектирования и строительства. Результаты диссер-

тационной работы нашли отражение в проекте Доктрины градоустройства и расселения (стратегического планирования городов) и пояснительной записке «Важнейшие научные достижения в области фундаментальной науки по архитектуре, градостроительству и строительным наукам за период 2008-2012 гг.» в разделе 10 «Междисциплинарные исследования», представленной Правительству РФ.

Результаты исследований использованы при разработке концептуальных предложений по развитию городской транспортной системы (г. Орел), и применяются при обеспечении экологической безопасности транспортных процессов в г. Брянске. Разработанная методика мониторинга состояния городской среды от воздействия автотранспорта принята к внедрению в работе ООО «Орловский технический центр безопасности дорожного движения».

Разработанные модели, методики, алгоритмы и рекомендации востребованы при проведении мониторинга состоянии объектов автотранспортной инфраструктуры и обеспечении их доступности населению, в т.ч. инвалидам и другим категориям маломобильных групп в рамках реализации программы «Социальная поддержка инвалидов (доступная среда) на 2012-2014 гг.».

Решения по комплексному благоустройству примагистральных частей городской территории, проекты строительства и экологической реконструкции объектов транспортного назначения на основе разработанных рекомендаций использованы в практической деятельности Орловского академцентра РААСН, ООО «Инжтрансмонолит» (г.Москва), ОАО «Дорпроект» (Мордовия, г. Саранск), ЗАО «Надир» (г. Орел).

Результаты работы внедрены в учебный процесс Московского государственного университета путей сообщения, Госуниверситет - УНПК, Юго-Западного государственного университета, Брянской государственной инженерно-технологической академии и применяются в научно-исследовательской работе обучающихся.

Публикации. По теме исследования опубликовано 53 работы общим объемом 44,62 печатных листа, из них авторских 26,43 печатных листа, в том числе 1 монография и 28 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК, а также 5 работ в зарубежных научных изданиях. Получены свидетельства о регистрации 1 базы данных и 1 программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, 14 приложений. Работа изложена на 382 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 292 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведена общая характеристика работы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, определены объект и предмет исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе представлен обзор отечественного и зарубежного опыта по обеспечению экологической безопасности объектов системы жизнеобеспечения городского хозяйства, в т. ч. и автотранспортной инфраструктуры, и выполнен анализ современных концепций защиты окружающей среды. Выявлено, что существующая на сегодняшний день система природоохранной деятельности, основывающаяся на нормировании, не всегда учитывает многокомпонентность выбросов автотранспорта, синергетический эффект их взаимодействия, что, в конечном итоге, делает неэффективным контроль за соблюдением регламентов по каждому отдельному ингредиенту. Показано, что АТС города как важнейшая инфраструктурная составляющая городского хозяйства призвана реализовывать удовлетворение рациональных потребностей населения в транспорт-

ных услугах в соответствии с уровнем приемлемого риска и экологически обоснованным качеством окружающей среды.

Автотранспортная система представляет собой сложную структуру, обусловленную взаимодействием многих элементов (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема взаимодействия структурных элементов АТС города и их системных связей: автотранспортных средств (AT), автотранспортных предприятий (АТП), автомобильных дорог (АД), объектов системы обслуживания (СО), инженерных искусственных сооружений (ИС)

В работе особо подчеркивается, что в современных условиях потребительского отношения к природе решающую роль играет выбор стратегии и тактики обеспечения экологической безопасности, требующих комплексного междисциплинарного подхода, системной интеграции исследований ученых и усилий разных специалистов. Благодаря научным работам целого ряда отечественных и зарубежных ученых: Вернадского В.И., Владимирова В.В., Данилова-Данильяна В.И., Ильичева В.А., Капицы П.Л., Осипова В.И., Павлова И.П., Циолковского К.Э., Медоуз Д., Вайцзеккера Э., Ловинса Э., Ло-винса Б. и других сформировалась концепция современного знания о биосфере, которая предполагает учет природных компонентов в практике хозяйственной и отраслевой деятельности и развития общества.

Решению современных проблем экологии городской среды посвящены труды таких исследователей как Азаров В.Н., Алексашина В.В., Бочаров Ю.П., Гордон В.А., Городков A.B., Гутенев В.В., Желтобрюхов В.Ф., Истомин Б.С., Колчунов В.И., Потапов А.Д., Сазонов Э.В., Сдобнов Ю.А., Смоляр И.М., Сидоренко В.Ф., Теличенко В.И., Тетиор А.Н., Хомич В.А., Чистякова С.Б., Щербина Е.В. и других. Мощность негативного воздействия автотранспортной инфраструктуры на природную среду и здоровье населения показана в работах таких ученых как Бондаренко Е.В., Багинова В.В., Дон-ченко В .В., Корчагин В.А., Кузнецов Е.С., Луканин В.Н., Трофименко Ю.В., Сафронов Э.А., Сарбаев В.И., Цыцура A.A. и других.

Тем не менее, большинство проведенных исследований основаны на позиции расширенного воспроизводства, ресурсопотребления и обеспечения экологической безопасности методами, которые не всегда носят системный характер и посвящены чаще всего решению отдельных локальных вопросов защиты окружающей среды. На сегодняшний день актуальность этих вопросов наиболее ощутима в условиях развития рыночных отношений, когда обеспечение экологической безопасности зачастую лежит

в плоскости частных экономических, а не общественных интересов. Все это определяет необходимость разработки иных подходов к регулированию техногенных нагрузок на экосистему города, в т. ч. и от автотранспортной системы, основой которых могут стать количественные нормативные соотношения между потребностями людей и техносферы в ресурсах биосферы и возможностью биосферы предоставлять эти ресурсы.

Следовательно, для комплексного решения проблемы обеспечения экологической безопасности АТС города необходимы: исследования принципов и механизмов отраслевой деятельности, оценка ее влияния на окружающую среду и выявление путей обеспечения безопасности. Наиболее перспективным с этой точки зрения представляется организация систем управления экологической безопасностью, в основе которых лежат современные методы использования информационных технологий - создания специализированных автоматизированных систем управления (АСУ) экологической безопасностью.

Ретроспективный анализ публикаций показал, что полученные результаты развития теории систем и системного подхода (Л.фон Берталанфи, М. Месарович, В.Г. Афанасьев, Ю.А. Урманцев, A.A. Богданов), кибернетики (Н. Винер, У.Р.Эшби, А.И. Берг, М.Б. Игнатьев, Л.А.Растригин, С. Бир), системотехники (С-Янг, Б.С.Флейшман, С.Оптнер, В. Кинг, Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко, А.Г. Ивахненко), синергетики (H.H. Моисеев), ситуационного моделирования и прогнозирования (Р. Акофф, Т.Саати, Д.А. Поспелов), информационных технологий и создания корпоративных систем управления (А.Н. Тихонов, A.A. Поляков, А.И. Иванников), теоретических основ построения интеллектуальных систем управления экологической безопасностью (И.С. Константинов, O.A. Ивашук) содержат достаточные научные предпосылки для решения поставленной задачи. Однако на сегодняшний день не существует стройной теории, отражающей специфику управления экологической безопасностью автотранспортной системы города как саморегулируемой системы.

Именно с этих позиций обосновывается необходимость дальнейшей разработки научного подхода к управлению экологической безопасностью автотранспортной системы города на новой концептуальной основе - принципах парадигмы биосферной совместимости, рассматриваемого в настоящей работе в качестве технологии обеспечения экологической безопасности, и детализируются конкретные задачи исследования в рамках обозначенной проблематики.

Во второй главе введено понятие экологически безопасного состояния автотранспортной системы города, под которым понимаем одновременно устойчивое, сбалансированное и комфортное состояние системы. Для обоснования этого понятия сформулированы основные исходные гипотезы.

Первая гипотеза. Автотранспортная система города является системой, открытой для внешних воздействий, т. е. воздействий, переводящих систему в новое состояние.

Вторая гипотеза. Система обладает свойством самоорганизации, т. е. способностью перехода в устойчивое состояние при внешнем неразрушающем воздействии, не превышающем порогового значения и компенсирующегося системой. Устойчивое состояние - состояние системы, при котором значения его параметров и (или) их производных остаются стабильными в заданном диапазоне.

Третья гипотеза. Среди устойчивых состояний системы существует подмножество сбалансированных состояний. Сбалансированное состояние - состояние системы, характеризуемое значениями его параметров, которые удовлетворяют уравнению тройственного баланса составляющих био-, ноо- техносферы урбанизированных территорий.

Такие тройственные балансы в соответствии с представлением академика В.А. Ильичева считаются гуманитарными, т. е. устанавливающими симбиотические взаимоотношения отрасли и окружающей природной среды и определяющими на этой основе рост человеческого потенциала. В противном случае - деградация биосферы и снижение качества жизни населения городов и поселений.

Баланс устанавливает некоторое соотношение (расчетную пропорцию) потенциалов (ресурсов) и потребностей составляющих автотранспортной системы города, которое обеспечивает устойчивое самоподдерживающее состояние системы.

Четвертая гипотеза. Среди устойчивых и одновременно сбалансированных состояний системы существуют подмножество комфортных состояний, когда значения параметров состояния удовлетворяют рациональным потребностям человека.

Пятая гипотеза. Существует состояние, которое одновременно является устойчивым, сбалансированным и комфортным. Такое состояние и есть состояние экологической безопасности системы.

Базируясь на основных положениях парадигмы биосферной совместимости, сформулированы принципы создания технологии обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города:

- принцип коэволюции природы и общества, т. е. соответствия между развитием производительных сил и природно-ресурсным потенциалом, способствующий созданию условий согласованного (симбиотического) развития природы, отрасли и человека на урбанизированных территориях;

- принцип сопоставления внешнего воздействия на окружающую среду и внутреннего взаимодействия процессов функционирования системы, т. е. количественной оценки так называемого «экологического следа» и восстанавливающей способности (потенциала) биосферы к регенерации и оценки состояния среды жизнедеятельности;

- принцип составляющих баланса (расчетной пропорции) между: потенциалом биосферы (природной составляющей); элементами автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства — местами удовлетворения потребностей населения (автотранспортной составляющей) и человеческим потенциалом (социальной составляющей);

- принцип технического регулирования экологической безопасности, отражающий необходимость законодательного и нормативного закрепления составляющих баланса, научно обоснованных экологических критериев и социальных стандартов;

- принцип инновационной отраслевой деятельности, основывающейся на применении новых знаний, и способствующий повышению ресурсного и биотического потенциалов за счет применения биосферосовместимых технологий;

- принцип оценки эффективности решений и мероприятий программ развития автотранспортной инфраструктуры и проверка качества городской среды от их реализации через критерии прогрессивного развития человека;

- принцип удовлетворения рациональных потребностей населения в транспортных услугах и создания благоприятной среды жизнедеятельности, базирующийся на предпосылке о неисключаемости общественных благ и равнозначности реализации для человека всех функций города;

- принцип обеспечения комфортности городской среды через опыт и традиции, накопленные отраслью, саморегулирование и самоуправление автотранспортной составляющей городского хозяйства;

- принцип обратной связи как реакции объекта управления на возмущающие воздействия и вызовы внешней среды, обеспечивающий экологическую безопасность.

Иерархия вышеприведенных принципов заключается в соподчиненности их главному принципу, обозначающему при последовательной реализации всех остальных

X Природная

составляющая

(ресурсы, естественные ландшафты, животные и растения)

Природо-социо-техническая структура автотранспортной ___ системы города ____

(внешняя среда)

(внешняя среде}

^^ У-Социальная ^ составляющая

(человек и его рациональные потребности)

2-Автотранспортная составляющая

(автотранспортные средства, ¡втотранспортные предприятия)

преобразование автотранспортной системы города в экологически безопасную составляющую городского хозяйства, развивающую человека, и переход к биосферосовме-стимому типу жизнедеятельности. С точки зрения управления экологической безопасностью эта позиция является ключевой и определяет направления разработки научно обоснованных управленческих решений.

На основе предлагаемых в работе гипотез разработана концептуальная модель экологической безопасности автотранспортной системы города (рисунок 2), включающая взаимодействующие между собой составляющие:

- природную составляющую как часть внешней среды, содержащую ресурсы, которые используют объекты автотранспортной инфраструктуры, и подвергающуюся негативному техногенному воздействию;

- социальную составляющую как часть внешней среды, взаимодействующую с объектами автотранспортной системы, ожидающую удовлетворения своих потребностей и испытывающую опосредованное негативное техногенное воздействие;

- автотранспортную составляющую, оказывающую воздействие на природную и социальную среды и определяющую возможность формирования неблагоприятной экологической обстановки на урбанизированной территории.

Рисунок 2 - Общий вид концептуальной модели экологической безопасности автотранспортной системы города

Включение ряда компонентов природной и социальной сред в состав предлагаемой структуры определяется в каждом конкретном случае важностью их влияния на процессы функционирования автотранспортной составляющей и наоборот.

В качестве математической модели сбалансированного состояния автотранспортной системы города, как сложной динамической системы, предлагается использовать нелинейное дифференциальное уравнение общего вида, отражающего экспоненциальный закон развития видов В. Вольтерра: ~ = £,х,, г = Т~п, где к, - коэффициент изменения

ш

состояния г'-той составляющей системы; = х;(г) - состояние ¡-той составляющей системы; I— время.

Совокупность трех нелинейных дифференциальных уравнений (1):

ш т

(1)

Л

= Fз(Z,Jr,7)Z

>2 пс,Упс )Х,

~Г — Рг {Хсс > ^ > 2СС ш

——= АТС, сЫ

(2)

где ^(Х; У, г), Р2(У, X, г), Р3(г, X, У) - нелинейные функции, отражающие влияние параметров внутренних взаимодействий между составляющими X, Г и Z и внешних воздействий на динамику системы, представляет собой математическую модель сбалансированного состояния автотранспортной системы.

С учетом взаимодействий внутри рассматриваемой системы модель сбалансированного состояния может быть описана системой дифференциальных уравнений (2),

ах „ ОТ

где--темп изменения состояния природной составляющей; —

Л

Л

■ темп изменения

„ йг

состояния социальной составляющей;--темп изменения состояния автотранспорт-

Л

ной составляющей; Р,(Х, гпс, Упс), Г2(ХСС, У, гсс), Г3(ХАТС, Ултс, г) - нелинейные функции; X — множество состояний природной составляющей, характеризуемые как потенциал (ресурс) биосферы, и зависящие от воздействия объектов автотранспортной инфраструктуры и человека, а также внешних возмущающих воздействий; ZПc - воздействия автотранспортной составляющей на природную составляющую; Упс — воздействия социальной составляющей на природную составляющую; У - множество состояний социальной составляющей, характеризуемые как «человеческий потенциал» в составе рассматриваемой системы, и зависящие от воздействия двух других составляющих; Хсс~ воздействия природной составляющей на социальную среду; 2сс - воздействия автотранспортной составляющей на социальную среду; 2 - множество состояний автотранспортной составляющей, характеризуемые как потенциал (ресурс) техносферы, и которые будут определяться ее объектами и параметрами; Ултс - воздействия социальной составляющей на автотранспортную составляющую; Хлтс - воздействия природной составляющей на автотранспортную составляющую.

На основе предлагаемой модели представляется возможным проводить численные исследования переходных процессов преобразований отдельных компонентов и составляющих анализируемой структуры. При этом, система трех нелинейных дифференциальных уравнений, принятых к описанию сбалансированного состояния автотранспортной системы города, должна быть дополнена начальными условиями при 1=0: Х(0)=Хо, У(0)=Уд, 2(0)=2й. Коэффициенты в дифференциальных уравнениях, представленные в виде некоторых функций, есть сумма параметров, отражающих реализацию внешних воздействий применительно к компонентам и составляющим системы.

Система дифференциальных уравнений (2) имеет множество решений, соответствующие множеству устойчивых состояний, каждое из которых удовлетворяет понятию баланса био-, ноо- техносферы. Под состоянием каждой из трех составляющих автотранспортной системы (природной, социальной и технической) понимаем значения соответствующих векторов параметров, характеризующих данную составляющую в текущий момент времени.

При обеспечении экологической безопасности автотранспортной системы города исходим из существующих ограничений на решения системы уравнений баланса, которые определяются областью значений параметров безопасной и комфортной го-

родской среды и соответствуют рациональным потребностям человека. Т. е. из всего множества решений, отвечающих сбалансированному состоянию, выбираем множество решений, которые определяют диапазон допустимых значений параметров состояния по каждой из трех составляющих и определяют, таким образом, область комфортного состояния системы.

В качестве критерия оценки экологической безопасности автотранспортной системы выступает минимум расстояния на множестве состояний от текущего состояния системы до экологически безопасного состояния. Этот подход дает возможность управлять состоянием анализируемой системы путем формирования управляющих воздействий, направленных на минимизацию расстояния от текущего значения до целевого - состояния экологической безопасности.

С этих позиций в развитие концептуальной модели экологической безопасности автотранспортной системы города построена модель объекта управления в виде единой многокомпонентной природо-социо-технической структуры (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема структурной модели объекта управления -экологической безопасности АТС города в виде природо-социо-технической структуры

Принципиальная новизна в построении модели объекта управления в этом случае заключается в том, что состояние объекта управления в любой момент времени определяется взаимным влиянием составляющих и информационными потоками, циркулирующими в системе, между системой и внешней средой.

Внешняя среда оказывает воздействия:

шпс - на компоненты природной среды, которые влияют на распространение и накопление загрязнений, поступающих от объектов автотранспортной инфраструктуры, например, природно-климатические факторы, общий фон загрязнения и т.п.;

озсс - на компоненты социальной среды, которые определяют возможность сотрудничества с биосферой и управления человеческой деятельностью в гармонии с природой, и, в итоге, определяющие ситуацию с безопасностью и комфортностью городской среды, например, факторы образования, пропаганды и культуры;

V - множество управляющих воздействий применительно к автотранспортной составляющей, представляющих собой вариации параметров ее состояния.

Исходя из изложенного, состояние природной составляющей можно записать как функцию: X =/(¿паУпсЫпс), определяющую потенциал природной среды к самовос-

становлению от воздействия автотранспорта в составе уравнения баланса. Аналогичным образом, состояние социальной составляющей Y=f (ZCc,Хсс,а>сс) и состояние автотранспортной составляющей Z =/(Xatc,YAtc,U) - функции, также участвующие в уравнении баланса и определяющие потенциалы составляющих АТС города.

Некоторое соотношение параметров и показателей множеств X, Y и Z в данный момент времени t характеризует текущее состояние объекта управления. Одновременно и целевое состояние — экологической безопасности — тоже определяется этой совокупностью (Хц, Уц и Zif). При этом значения векторов целевого состояния должны соответствовать принятым нормативам безопасности окружающей среды и социальным стандартам качества жизни, определяющим возможность экологического самообеспечения и прогрессивного развития биотехносферы урбанизированных территорий в контексте основных положений парадигмы биосферной совместимости.

Теоретико-множественная модель объекта управления представлена кортежем:

£<эу= < Woy, Qoy, Roy, Foy, Ooy>, (3)

где Woy = {и>0у} - множество составляющих объекта управления; Qoy = {q} - совокупность внешних воздействий на элементы Woy, Roy = М - совокупность параметров, которые характеризуют состояния составляющих природо-социо-технической структуры на рассматриваемой урбанизированной территории под воздействием автотранспорта; Foy = {foy} — множество отображений, осуществляемых на Woy, Qoy и Roy, Ооу = {ооу} - множество отношений над элементами Woy, Qoy и Roy-

Составляющие природо-социо-технической структуры формируют Woy = {wnc,WATC,wcc), где wnc — множество компонентов природной составляющей (атмосферный воздух, водные ресурсы, акустическая среда и др.); wATc ~ множество компонентов автотранспортной оставляющей (автотранспортные предприятия, автотранспортные средства, объекты дорожного сервиса и др.); wCc — множество компонентов социальной составляющей (население урбанизированной территории, в частности потребители транспортных услуг, автовладельцы, клиенты автопредприятий).

Множество Qoy входных воздействий на объект управления включает два основных подмножества: UATC (управляющие воздействия) и е> (внешние воздействия), т. е. Qoy~ {Uatc,o>}• При этом множество воздействий внешней среды на объект управления iо = {(опс, сосс}.

Множество состояний составляющих объекта управления R0y включает три основных подмножества X, Y и Z, т. е. Roy = {X, Y, Z].

Теоретико-множественная модель (3) отражает структуру и состояние объекта управления, описывает внешние воздействия на объект и изменения его структуры и вектора параметров состояния.

Таким образом, предлагаемый подход к организации управления экологической безопасностью автотранспортной системы города исходит из необходимости применения целенаправленных управляющих воздействий к объекту управления и переводу системы в экологически безопасное состояние в соответствии с действующими нормативной и правовой базами.

В третьей главе излагаются основные принципы развития системы мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города. Обоснованы показатели и параметры мониторинга состояния составляющих автотранспортной системы и необходимость оценки динамики этих показателей с позиции биосферной совместимости. Разработаны основные требования создания системы автоматизированного мониторинга, отличительной особенностью которой является реализация принципа адаптации к внутренним структурным перестройкам объекта управления и изменяющимся условиям внешней среды. Даны предложения по модернизации и совершенствованию

организационной структуры сети наблюдений мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города.

Результаты мониторинга в значительной степени зависят от объема и качества полученной информации, которая должна включать подробные данные о пространственно-временной изменчивости показателей состояния природной среды, содержать сведения о показателях функционирования объектов автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства, а также учитывать оценки уровня развития человеческого потенциала, т. е. специфика мониторинга определяется организацией процедуры сбора данных и получения информации о состоянии трех взаимодействующих составляющих автотранспортной системы: природной, автотранспортной и социальной.

При мониторинге экологической безопасности автотранспортной системы города и качества городской среды от воздействия автотранспорта необходимо руководствоваться действующей нормативной базой, опираться на законодательные акты, связанные с контролем и управлением качеством окружающей среды, исходить из финансовых возможностей и учитывать сведения, актуальные для конкретной урбанизированной территории.

Предлагается функциональная модель в виде иерархии диаграмм, построенных на основе соответствующей методологии, которая раскрывает содержание процесса мониторинга. Использование принципа декомпозиции по мере создания диаграмм, отображающих иерархическую функциональную модель, позволяет установить область моделирования экологической безопасности автотранспортной системы и получить набор показателей состояния составляющих природо-социо-технической структуры, по которым и будет осуществляться сбор информации в ходе мониторинга.

Для качественной технической реализации управления экологической безопасностью АТС города автоматизированная система мониторинга выстраивается по принципу адаптивной системы, т. е. возможности гибкой настройки механизмов сбора, хранения и обработки информации в соответствии с целями и задачами мониторинга, определяемыми как предметной областью, так и стратегией развития урбанизированных территорий. Графическое представление структурной модели автоматизированной системы мониторинга экологической безопасности АТС города дано на рисунке 4.

Внешняя среда

Рисунок 4 - Схема структурной модели автоматизированной системы мониторинга экологической безопасности АТС города

Основными функциями автоматизированной системы мониторинга экологической безопасности АТС города являются:

- сбор информации о показателях состояния компонентов природной составляющей, подвергшихся негативному влиянию автотранспорта (вектор X);

- сбор информации о показателях и параметрах, характеризующих состояние автотранспортной составляющей (вектор Ж);

- сбор информации о показателях состояния компонентов социальной составляющей, на которое влияет автотранспортная составляющая (вектор У);

- сбор информации о параметрах внешнего возмущающего воздействия на составляющие автотранспортной системы, поддающиеся измерению (вектор гв^);

- сбор информации о параметрах внешнего неконтролируемого воздействия на автоматизированную систему мониторинга экологической безопасности (вектор О);

- предварительная обработка полученных данных, результатом которой являются компоненты множеств X', У, 2"' и К

Для реализации названных функций в состав автоматизированной системы мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города включены два функциональных блока: контрольно-измерительный и предварительной обработки. Контрольно-измерительный блок отвечает за сбор данных для оценки фактического состояния природо-социо-технической структуры, а именно за измерение параметров и определение значений показателей состояния ее составляющих, которые реализуются путем натурных замеров, инструментального контроля и экспертных оценок.

Воздействиям со стороны внешней среды отвечает соответствующий блок -«Контроль внешнего воздействия» (см. рисунок 4), результатом работы которого будет являться множество внешних воздействий - Д, возникающих по причинам, не зависящим от организации самой системы мониторинга, тем не менее, в силу причин неопределимого характера имеющих место (ошибки ввода, нерегулярность поступления информации и т. п.). Воздействия внешней среды, определяющие отклонения зарегистрированных показателей состояния от нормативных значений, являются измеримыми. На схеме (см. рисунок 4) такие воздействия представлены в виде вектора еОии,.

Результаты измерения показателей состояния составляющих природо-социо-технической структуры (компоненты множеств X, У, £), а также результаты внешних воздействий, сформированные в виде компонентов множества 12, поступают в следующий блок системы — блок предварительной обработки. В этом блоке системы мониторинга осуществляется обработка данных о фактическом состояния составляющих анализируемой структуры на предмет их корректности и непротиворечивости.

Полученные в блоке предварительной обработки результаты (в виде компонентов множеств X', У, Z' и .Г) используются, во-первых, для поддержки принятия управленческих решений и, во-вторых, для настройки блоков системы мониторинга согласно текущим изменениям, происходящим в объекте управления и во внешней среде, по моделям, которые поступают в данный блок в качестве сигналов обратной связи Л и V.

Реализация требований адаптивности и обратной связи к динамике объекта управления и внешней среды в составе системы мониторинга обеспечивается за счет управления процессами контроля и наблюдений с помощью следующих информационных сигналов:

X - вектора настройки контрольно-измерительного блока. С его помощью происходит определение рационального размещения постов стационарного и передвижного контроля и их технического оснащения на основе полученных данных о проведенных наблюдениях и результатах измерений;

V - вектора управления блоком предварительной обработки. С его помощью производится настройка соответствующего блока путем сопоставления результатов мониторинга с эффективностью принимаемых решений. Другими словами, в составе вектора V - прежде всего, математические модели и программное обеспечение, необходимые для оценки экологической безопасности на основе ретроспективной информации, поступающей от контрольно-измерительного блока.

Таким образом, при организации мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города и формировании структуры системы автоматизированного мониторинга учтен опыт построения аналогичных структур и дополнены его функции. Существенным отличием является учет не только нормируемых показателей состояния городской среды от воздействия автотранспорта, но и учет показателей, которые определяют уровень развития человека на урбанизированной территории в соответствии с его рациональными потребностями (принцип 2 парадигмы биосферной совместимости).

Система автоматизированного мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города с учетом характеристик всех входящих в нее компонентов описывается теоретико-множественной моделью:

Ом>, (4)

где = {и>м} - множество составляющих системы мониторинга, состоящее из множества компонентов контрольно-измерительного блока - н>'ки и множества компонентов блока предварительной обработки - и>'По: т. в.1Гм= {»'т,

Совокупность всех внешних воздействий, в т. ч. и управляющих, на составляющие 1УМ есть множество: = {Л, Я'}, где О' = {X, У, Ж, Д} - множество результатов измерений, компонентами которого являются параметры, определяющие состояние объекта управления в результате внешних воздействий.

Множество состояний составляющих системы мониторинга описывается следующей формулой: Ям = X', Г, г'}, где F- это множество состояний элементов

- контрольно-измерительного блока; X', У'к г'- множество состояний элементов и''по- блока предварительной обработки.

Множество отображений измеряемых параметров на (Ум представляется в виде выражения: вм= {8м}-

Основными блоками в системе мониторинга осуществляются следующие отображения:

gF: О' х (оизм хА -» ^ gx,■.Fxv-*X',

Отношения между элементами вышеприведенных множеств Ом и Ям определяются как множество Ом= {ои}.

В четвертой главе предлагаются модели и алгоритмы оценки, прогнозирования и управления экологической безопасностью автотранспортной системы города с позиции необходимости реализации принципов биосферной совместимости. Задача управления экологической безопасностью природо-социо-технической структуры, в составе которой взаимодействуют функционально самостоятельные природная, техническая и социальная составляющие, решена впервые. В ее основе лежит формализованное представление АТС города в виде открытой динамической системы и ее экологической безопасности (как устойчивого, сбалансированного и комфортного состояния) в качестве объекта управления. Основными методами поддержки принятия управленческих решений являются математические методы, методы нечеткой логики и методы,

основывающиеся на имитационном моделировании, с помощью которых строятся прогнозы по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы города.

Разработан алгоритм формирования и выбора управляющих воздействий по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы города (рисунок 5), включающий следующие этапы:

1) мониторинг состояния городской среды как начальный этап, предполагающий приспосабливаемость системы управления к изменяющейся экологической ситуации;

2) интегральную оценку состояния составляющих анализируемой структуры и построение по результатам этой оценки критерия оценки экологической безопасности, на основании которого выявляется необходимость принятия управленческих решений;

3) формирование альтернативных сценариев управления, содержащих мероприятия градостроительного, административного, технического, нормативного и организационно-финансового плана, направленных на обеспечение экологической безопасности при удовлетворении рациональных потребностей населения в транспортных услугах;

4) моделирование альтернативных сценариев управления и прогнозирование экологической безопасности на основе агентного подхода;

5) оценку альтернативных сценариев управления и выбор наиболее эффективного;

6) выбор необходимых научно обоснованных управленческих решений, приводящих автотранспортную систему к экологически безопасному состоянию в соответствии с выбранным эффективным сценарием;

7) оценку качества управленческих решений и корректировка моделей.

Альтернативные сценарии управления, направленные на обеспечение экологической безопасности, формируются на основе изменяемых параметров компонентов автотранспортной составляющей, и базируются на результатах интегральной оценки и прогнозирования состояния природной и социальной составляющих от влияния объектов автотранспорта при определенных условиях внешнего воздействия без реализации управленческих решений.

В качестве результатов интегральной оценки экологической безопасности выступают значения фактического состояния составляющих природо-социо-технической структуры, сформированного под воздействием объектов автотранспортной инфраструктуры на конкретной урбанизированной территории. Прогнозируемое целевое состояние экологической безопасности автотранспортной системы города есть результат оценки альтернативных сценариев управления.

Реализуя принятые в работе принципы парадигмы биосферной совместимости, среди управленческих решений следует особо отметить решения, направленные не только на снижение последствий негативного техногенного воздействия на природную и социальную составляющие и на ликвидацию ущерба, как постфактум деятельности, но и решения, предполагающие изменение условий функционирования объектов автотранспортной инфраструктуры ввиду применения технологий преобразования патологии в ресурс развития, как превентивных мер.

Построенные на принципах биосферной совместимости альтернативные сценарии управления, а также реализующие их конкретные управленческие решения, нашли отражение в составе практических рекомендаций по обеспечению экологической безопасности автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства и программных мероприятий инновационного развития автотранспортной системы города и приводятся в диссертационной работе.

Выбор модели предояритольной обработки рзнны х и оценка адекватности зкологичесхой сититуации

Проведение интегральной оценки и построение критерия оценки в вл!;е балансовых соотношений XYZ

Q Конец

Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма формирования и выбора управляющих воздействий по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы города

Отличительной особенностью алгоритма формирования и выбора управляющих воздействий по обеспечению экологической безопасности АТС города является наличие этапа, предполагающего оценку качества управления и актуализации управленческих решений к изменяющимся условиям функционирования системы и воздействиям внешней среды (фундаментальный принцип 9 парадигмы биосферной совместимости).

На важнейшем этапе предлагаемого алгоритма - интегральной оценки состояния составляющих АТС города - , в ходе которого выявляется дальнейшая необходимость принятия решений, были предложены составные лингвистические переменные, описывающие конкретные состояния компонентов рассматриваемой природо-социо-технической структуры на основе аппарата нечеткой логики.

Для каждой лингвистической переменной определены терм-множества их оценки и установлен набор количественных характеристик, на основании которых возможно определить принадлежность той или иной переменной к значениям, входящим в терм-множество.

Построены функции принадлежности значений лингвистических переменных нечетким множествам состояния компонентов автотранспортной системы. Составлены решающие правила, способствующие получению результата оценки в виде логического вывода «если «набор условий», то «вывод».

Техническая реализация этапов интегральной оценки осуществлялась с помощью построенных иерархических логико-лингвистических моделей: Nature-Model, MotortransportModel и So-cialModel.

На рисунке 6 приведена схема модели нечеткого вывода результата оценки состояния природной составляющей. В качестве входных данных модели используются результаты мониторинга состояния городской среды на территории г. Орла, отражающие:

- уровень химического загрязнения атмосферного воздуха Atm.air по отношению наблюдаемого содержания в нем СО к ПДКм.р.;

- уровень химического загрязнения почвы Soil по отношению суммарного показателя концентрации тяжелых металлов к их ПДК мр;

- уровень физического загрязнения воздушного бассейна Ac.env по значению эквивалентного уровня шума;

- уровень озеленения Landscaping и уровень лесовосстановления Reforestation.

Для удобства последующего анализа состояния системы и использования результатов интегральной оценки при формировании управленческих решений на этапе преобразования нечеткого вывода значений лингвистических переменных для всех трех составляющих природо-социо-технической структуры автотранспортной системы города была использована одинаковая шкала от 0 до 5.

Полученные результаты интегральной оценки состояния составляющих анализируемой структуры в соответствии с фундаментальным принципом 3 парадигмы биосферной совместимости используются для составления балансовых соотношений и последующей критериальной оценки экологической безопасности АТС города на основе модели (2). При этом исходим из принятой в работе гипотезы о балансовых соотношениях между отдельными компонентами и составляющими природо-социо-технической структуры и возможности сопоставления значений для оценки устойчивого и сбалансированного состояния системы в целом.

Для решения задачи прогнозирования экологической безопасности АТС города исходим из основной концепции агентного подхода к моделированию, заключающегося в том, что анализируемая система является децентрализованной структурой, динамика функционирования системы определяется информационными связями между ее составляющими и индивидуальным поведением ее объектов как агентов модели. Т.е. экологически безопасное состояние автотранспортной системы определяется взаимодействием компонентов составляющих природо-социо-технической структуры как результата совокупной деятельности множества активных агентов модели; при этом сама рассматриваемая система является сложной мулыпиагентной структурой (рисунок 7).

Поскольку реально управляемыми с точки зрения возможности выработки конкретных управляющих воздействий являются показатели и параметры состояния автотранспортной составляющей (множество Z), определяющие в результате взаимодействия Zee и Yatc, Znc и ХАТС состояния природной составляющей (множество X) и соци-

Atm.air

и-

Aq.env

s-f

Son

—1 1__, ж

—г

Pollution

@ L

Landscaping

0—1

Reforestation

ж-

Ж

Nature Model

Display

Stop Simulation

Кедоегайоп

Рисунок 6 - Схема модели нечеткого вывода

результата оценки состояния природной составляющей - Ыа1игеМос1е1, реализованной с использованием программного средства МАТНЬАВ

Внутренняя среда

Зелеяь» имяжлсния

Почий

ЛТГ

Автотранспортная составляющая

Социальная составляющая

альной составляющей (множество У), то при обеспечении экологически безопасного состояния системы следует рассматривать поведение объектов преимущественно автотранспортной инфраструктуры как активных агентов модели при удовлетворении рациональных потребностей человека как ограничений модели.

Внешняя среда &1

Рисунок 7 - Концептуальная схема мультиагентной модели АТС города для прогнозирования ее экологической безопасности

При этом параметры, выбранные в качестве показателей качества природной среды и показателей качества социальной среды при учете внешних и (или) управляющих воздействий на систему будут принимать значения, соответствующие целевым (Хц, Y¡¡ и Z¡¡) и участвовать в критериальной оценке экологической безопасности АТС города.

Таким образом, прогнозирование экологической безопасности как концепция разработки мультиагентной модели АТС города выстраивается на основе выявления причинно-следственных связей между компонентами природной X = g(U, Znc, íi) и социальной Y = g(U, ZCc, £2) составляющих от воздействия ZCC^Z и Znc^Z автотранспортных объектов с учетом управляющих U и (или) внешних воздействий Í2.

Мультиагентная модель АТС города описывается множеством:

МАТС = {С, Ор, Ot, /}, (5)

где С - множество составляющих модели; Ор - множество допустимых операций над компонентами составляющих модели; Oí - множество отношений между составляющими модели; t - такт модельного времени.

Составляющими частями мультиагентной модели являются агенты и среда:

C={A,Sr}, (6)

где А - множество агентов и их состояний, описывающих поведение отдельного агента; Sr - множество сред в составе модели.

Описание агента включает множество его характеристик:

А = {Нл, Oiu), (7)

где НА - множество объективных характеристик агента; Оцл - множество субъективных оценок агента.

Описание среды включает множество его характеристик:

Sr={HsnOnsr}, (8)

где Hsr - множество объективных характеристик среды; Оц„ - множество субъективных оценок среды.

Конкретное наполнение множеств (6), (7) и (8) зависит от особенностей моделируемой задачи обеспечения экологической безопасности, поведения агентов и состояния среды. При этом цели поведения индивидуальных агентов в составе модели подчинены необходимости обеспечения экологической безопасности и в составе информационных потоков между составляющими природо-социо-технической структуры автотранспортной системы города направлены на:

- снижение негативного воздействия на окружающую природную среду (вектор Znc) и снижение потребления природных ресурсов при реализации производственных процессов на транспорте (вектор Хлтс)\

- удовлетворение рациональных потребностей социума в автотранспортных услугах, повышение их доступности (вектор ZCc) и внедрение биосферосовместимых технологий (вектор Ултс) с минимальными затратами времени и средств;

- снижение негативного опосредованного влияния элементов техносферы через составляющую природной среды на человека (вектор Хсс) и повышение способности природной среды (биосферы) к регенерации с учетом в этом процессе социума (вектор

ад-

Множество отношений Ot характеризует структуру мультиагентной модели через связи агентов со средой.

Множество операций Ор, совершаемых над агентами, определяет динамический аспект функционирования системы. В каждый такт модельного времени t реализуется набор событий, в результате чего изменяются характеристики отдельных агентов и со-

еу ч

ставляющих среды, т. е. система S переходит в новое состояние: S\ т Лг, где

Si- исходное состояние системы S в f-й момент времени; ev - набор событий, происходящих в t-й момент времени; - состояние системы S в (/+1)-й момент времени.

Мультиагентная модель АТС города позволит осуществлять компьютерные эксперименты по оценке и прогнозированию изменений показателей качества природной и социальной сред, которые будут являться следствием изменения (в заданном диапазоне) одновременно любого количества параметров автотранспортной составляющей как механизма самоорганизации системы и (или) применения внешних воздействий как механизма управления. Такая модель обеспечит возможность оценки качества принимаемых решений по обеспечению экологической безопасности, как входных параметров модели, исходя из возможности реализации мероприятий градостроительного и (или) административного регулирования, экономического стимулирования с учетом рыночных отношений в практике функционирования автотранспортных систем, нормативного и технического плана в составе альтернативных сценариев управления. Все эти мероприятия могут применяться на различных стадиях разработки, согласования и принятия управленческих решений, рассмотренных в контексте необходимости обеспечения экологической безопасности и надлежащего качества городской среды.

Для обеспечения корректного управления экологической безопасностью АТС города разработана структурная модель специализированной автоматизированной системы управления (АСУ), включающая следующие подсистемы (рисунок 8):

- объект управления (¿оу) - экологическая безопасность АТС города в виде многокомпонентной природо-социо-технической структуры;

Рисунок 8 - Схема структурной модели специализированной автоматизированной системы управления экологической безопасностью АТС города

- систему мониторинга экологической безопасности (2м), содержащую:

- контрольно-измерительный блок, в котором производится сбор информации о состоянии составляющих природо-социо-технической структуры объекта управления на основании параметров из множеств X, У, 2 и й;

- блок предварительной обработки, в котором осуществляются обработка полученных данных на предмет их корректности и непротиворечивости нормализованным значениям и показателям действующей регулятивной базы, а также их представление в виде, удобном для дальнейшего использования другими подсистемами как параметров множеств X', У', ¿Г' и Р\

- информационно-аналитическую систему формирования управления экологической безопасностью (£цлсфу)> содержащую:

- блок хранения информации о состоянии АТС города и ее составляющих, полученной в ходе мониторинга;

- подсистему управления мониторингом экологической безопасности, которая на основе применения моделей X и у обеспечивает обратную связь с целью проверки реакции системы на управляющие воздействия и необходимости актуализации процессов контроля и наблюдений;

- подсистему прогнозирования ситуаций, в которой формируются различные модели а и /?, используемые для принятия управленческих решений, а также приме-

няемые для организации и оценки качества функционирования других подсистем и отдельных блоков АСУ, обеспечивая, таким образом, принцип адаптивного управления к текущим изменениям в объекте управления и внешней среде;

- подсистему формирования управляющих воздействий и принятия решений, осуществляющую выработку управляющих воздействий на основе представленных на рассмотрение альтернативных сценариев управления (компоненты множества

- исполнительную систему (¿ис), реализующую выработанные научно обоснованные управленческие решения по обеспечению экологической безопасности.

Теоретико-множественная модель специализированной автоматизированной системы управления экологической безопасностью АТС города представлена кортежем:

Елсу= <ГАСу, Пасу, ЕАсу, &асу, 0Лсу> , (Ю)

где 1УАсу = { и>АСУ } - множество компонентов (подсистем) АСУ, которые будут реали-зовывать требования, предъявляемые к системе, и которые определяются согласно ее функциям; при этом ЖАСу = {¿оу, Ем . нас фу> ^исУ,

^асу = о)сс, <»тш (оФУПр) - множество внешних воздействий на 1УЛСу, которое состоит из совокупности подмножеств воздействий внешней среды;

ЕЛСу= { еАСУ } - множество состояний (УАСУ, которое состоит из совокупности подмножеств состояний основных компонентов АСУ;

вЛсу = { /АСУ } - множество отображений, осуществляемых на УУАСу, ПАсу и ЕАСу, которое является совокупностью подмножеств отображений, реализуемых каждым элементом АСУ, 0АСу- (ТУАСУ, ПАСу, Е) —► ЕЛСу,

0Асу = {°Асу } ~ множество отношений над элементами 1УАСу, ОЛСУ иЕЛСу, которое является совоьсупностью подмножеств отношений над компонентами внутри элементов АСУ, ОАСу. (УУАСУ, ПАСУ, Еасу).

В свою очередь, множество состояний элементов АСУ может быть представлено в виде совокупности множеств: ЕАсу= {еоу, ем, ешсоу, *ис}» где

еоу= Я = {X, У, г} описывает состояние объекта управления (ОУ) по состоянию составляющих природо-социо-технической структуры;

ем = {X', У, Я, Т7} описывает состояние системы мониторинга (М) по состоянию контрольно-измерительного блока (X, У, Z - результат сбора информации о показателях качества природной и социальной сред и автотранспортной инфраструктуры) и по состоянию блока предварительной обработки результатов мониторинга (компоненты множества X', У, Z'и Р);

еще фУ = {ц, Л, V} описывает состояние информационно-аналитической системы формирования управления (НАС ФУ) как совокупности управляющих сигналов, вырабатываемых в ней для обеспечения адаптивного управления;

еж= {1/А тс) описывает состояние исполнительной системы (ИС), представленное реализуемыми ею управляющими воздействиями применительно к автотранспортной составляющей.

Управляющие воздействия иАтс есть вариация управляемых параметров преимущественно автотранспортной составляющей (компонентов множества 2), которые реализуются исполнительной системой. При этом имеет место следующее отображение: /иС- И~* и АТС-

Основными функциями специализированной автоматизированной системы управления как современного средства обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города будут:

Функция 1. Проведение в автоматизированном режиме сбора информации и предварительной обработки данных о состоянии автотранспортной системы города и ее составляющих и о качестве городской среды от воздействия автотранспорта с позиции новой концепции организации мониторинга.

Функция 2. Автоматизированное накопление и хранение данных, моделей и правил, необходимых для поддержки принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности АТС города.

Функция 3. Генерация и модификация моделей оценки, прогнозирования и управления экологической безопасностью АТС города.

Функция 4. Автоматизированное построение наиболее полного множества альтернативных сценариев управления экологической безопасностью АТС города. Оценка альтернатив и выбор подходящего сценария управления.

Функция 5. Реализацш научно обоснованных управляющих воздействий, обеспечивающих экологически безопасное состояние АТС города.

Функция 6. Оценка качества управления и необходимая корректировка моделей и алгоритмов, направленных на снижение негативного воздействия на окружающую среду и наиболее полное удовлетворение потребностей населения в транспортных услугах.

Формирование и выбор управляющих воздействий по обеспечению экологической безопасности АТС города осуществляется на базе информационно-аналитической системы как составной части автоматизированной системы управления.

Основным функциональным назначением этой системы будет являться:

- построение моделей оценки состояния составляющих природо-социо-технической структуры АТС города и моделей прогнозирования ситуаций, складывающихся при функционировании автотранспорта на урбанизированных территориях, а также моделей поддержки и принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности;

- оценка качества управления и актуализация процесса принятия решений с целью обеспечения адаптивности к структурным перестройкам объекта управления и изменяющимся условиям внешней среды.

При актуализации процесса принятия управленческих решений возникает необходимость поиска новых показателей экологически безопасного состояния АТС города исходя из рациональных потребностей человека и соответственно пополнения ими блока хранения информации. С этой целью в составе информационно-аналитической системы формирования управления подсистемой управления мониторингом с помощью сигналов обратной связи Лиг определяется не только число и местоположение точек рационального размещения постов контроля и наблюдений за состоянием качества природной среды (и при необходимости их изменения с точки зрения меняющихся требований); организуется сеть удаленных и распределенных ввода и сбора данных по показателям состояния автотранспортной составляющей; но и регламентируются сбор информации о состоянии социальной составляющей, характеризующей человеческий потенциал.

Подсистема прогнозирования ситуаций формирует различные модели (вектор а), которые определяют результат функционирования автотранспортной системы на урбанизированной территории - экологическую безопасность, в т. ч. и с учетом реализации альтернативных сценариев управления. На базе построенных моделей в качестве приоритетных прогнозов изменения ситуаций, характерных для автотранспортной системы, будут являться прогнозы снижения негативного воздействия на окружающую

среду и создания безопасной и комфортной городской среды, отвечающей условиям наиболее полной реализации и доступности функций города населению с учетом вклада автотранспортной составляющей.

Модели в составе вектора у? используются для внутренней организации работы самой информационно-аналитической системы и взаимодействующих с ней других систем с целью автоматизации и интеллектуализации принятия управленческих решений.

Генерирование информационных сигналов в виде векторов а и /? осуществляется на основе применения моделей, правил и данных, заложенных в соответствующих модулях блока хранения информации, а именно данных о результатах мониторинга, поступающих из хранилища (множество В), моделей из базы (множество М) и необходимых для процесса моделирования правил из соответствующей базы (множество Р). Запрос к базе правил осуществляется с помощью векторар (см. рисунок 8).

В базе данных содержатся показатели и параметры состояния каждой составляющей автотранспортной системы, полученные в ходе мониторинга и характеризующие свойства, процессы и явления на рассматриваемой урбанизированной территории, а также их контрольные нормативы и показатели, определяемые рациональными потребностями человека. В частности это информация по показателям состояния компонентов:

- природной составляющей, наиболее подверженных негативному воздействию и отражающих способность природной среды (биосферы) к регенерации с участием в этом процессе социума;

- социальной составляющей, отражающих, с одной стороны, удовлетворение потребностей населения в безопасных и качественных транспортных услугах, с другой -влияние загрязнения и деградации природной среды на рассматриваемой территории, являющихся следствием опосредованного техногенного влияния автотранспорта на человека;

- автотранспортной составляющей, являющихся характеристикой потребления ресурсов природной среды и отражающих уровень внедрения и реализации инновационных биосферосовместимых технологий.

Эта информация необходима для выполнения интегральной оценки состояния составляющих АТС города и составления по результатам этой оценки балансовых соотношений составляющих биотехносферы.

Таким образом, посредством специализированной автоматизированной системы управления экологической безопасностью, последовательно реализуются принципы биосферной совместимости, направленные на самоорганизацию и прогрессивное развитие автотранспортной системы города и, как следствие, экологическое самообеспечение урбанизированных территорий.

В пятой главе приводятся результаты экспериментальных и численных исследований и апробации предложенного подхода к организации управления экологической безопасностью АТС города и формализованных методов построения АСУ.

Анализируются результаты мониторинга состояния городской среды от воздействия автотранспорта (на примере г. Орла), полученные в соответствии с многокомпонентным представлением объекта управления и учитывающие:

1) загрязнение природной среды от передвижных и стационарных источников в составе выбросов отработавших газов, производственных зон, участков и рабочих постов и сравнение их с предельно-допустимыми концентрациями поллютантов;

2) состояние производственной среды объектов автотранспортной инфраструктуры на основе обоснованной системы оценочных показателей;

3) статистические данные о состоянии социальной среды от непосредственного и опосредованного воздействия автотранспорта и сравнение их с рациональными потребностями человека целью установления уровня реализуемости функций города и соподчиненных им подфункций автотранспортной системы.

В ходе мониторинга производились натурные замеры параметров и выполнялись теоретические оценки показателей состояния отдельных компонентов природной среды (атмосферного воздуха, водных ресурсов, почвы) от воздействия автотранспорта. Методика мониторинга подробно описана в диссертации.

Для анализа показателей состояния социальной составляющей (уровня заболеваемости, уровня доступности транспортных услуг, показателя аварийности на автомобильных дорогах и др.) использовались данные статистики, опросов, анкетирования, экспертных оценок.

В ходе инвентаризации выбросов поллютантов в атмосферу производился расчет валовых и максимально разовых выбросов с использованием удельных показателей. По результатам замеров и расчетов каждого у-го вещества, выбрасываемого источниками автотранспортного предприятия, рассчитывается параметр g¡, позволяющий дать предварительную оценку воздействия на качество атмосферного воздуха и установить категорию опасности предприятия.

С целью комплексной оценки состояния производственной среды объектов автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства была разработана система оценочных показателей, базирующаяся на результатах структурирования требований действующих национальных стандартов и норм, положений и рекомендаций технических регламентов. Необходимая информация по группам показателей состояния производственной среды и их параметрам была получена в ходе аудита и нескольких экспертиз, реализованных для 78 автотранспортных предприятий г. Орла. Кроме того, в формировании массива информации использованы данные, полученные по результатам инспекционного контроля территориальными органами Роспотребнадзора, Ростехнадзо-ра, Росприроднадзора, сведения о декларировании услуг по техническому обслуживанию и ремонту автомобилей, предоставленные центром сертификации и менеджмента качества ФГУ «Орловский ЦСМ».

Для упорядочивания полученных данных о состоянии производственной среды автотранспортных предприятий и выявления значимости показателей состояния был реализован алгоритм ранжирования, в ходе которого были получены девять групп показателей (Дь к = 1..-А", К=9), каждая из которых характеризуется качественными индикаторами и количественными параметрами:

ПСАТП= {ПТБ, Т, К, ТО, 34, П, Н, УК, КБ}, (11)

где ПТБ, Т, К, ТО, 34, П, Н, УК, КБ - группы показателей состояния: ПТБ - «Производственно-техническая база; Т- «Технологии»; К- «Конкурентоспособность»; ТО-«Технологическое и контрольно-диагностическое оборудование, оснастка и инструмент.»; 3 - «Запасные части, расходные материалы»; П— «Персонал»; Н- «Нормативно-правовое обеспечение»; УК - «Управление качеством» и КБ - «Комплексная безопасность».

Для информативной и наглядной визуализации результатов мониторинга городской среды и интегральной оценки состояния автотранспортной системы и ее составляющих на определенной урбанизированной территории была разработана программа для ЭВМ «Геоинформационная система: территориальная автотранспортная система». С использованием этой программы были выполнены проблемно-ориентированные ГИС-проекты, содержащие сведения об интенсивности движения автотранспортных

средств по элементам УДС; о локализации стационарных источников загрязнения -автотранспортных предприятиях; о загрязнении атмосферного воздуха, водных ресурсов, почвы и акустического фона; об озеленении придорожных территорий и расположении рекреационных зон в городской черте; о доступности услуг технического сервиса. На схеме рисунка 9 представлена карта, на которой отражен уровень загрязнения территории г. Орла, находящейся в зоне влияния автомобильных дорог и в пределах радиуса санитарно-защитной зоны автотранспортных предприятий.

По результатам экспериментальных исследований, полученных в ходе мониторинга и интегральной оценки, была сформирована база данных об объектах автотранспортной составляющей (источниках загрязнения природной среды в г. Орле), с использованием которой обеспечивается возможность прогнозирования экологической ситуации и выработки соответствующих управленческих решений, направленных на ее стабилизацию. Рисунок 9 - Вид электронной карты-схемы г. Орла, отображающей уровень загрязнения природной среды от стационарных и передвижных источников: |; -высокий; ^Ц - выше среднего;! I - средний; | |- ниже среднего.

В соответствии с разработанной и приведенной в диссертации методикой оценки вклада составляющих автотранспортной системы в реализацию функций города (таблица 1) были определены интегральные показатели уровня загрязнения природной среды и удовлетворенности спроса на транспортные услуги.

Таблица 1 - Этапы методики оценки вклада составляющих автотранспортной системы в реализацию функций города___

Этапы методики оценки вклада составляющих автотранспортной системы в реализацию функций города Расчетная формула

¿;'ф" - комплексный показатель реализуемости функций города Ф„ от вклада составляющих автотранспортной системы С]с ={U; G)

G - уровень загрязнения природной составляющей от воздействия автотранспортных предприятий G={NAT; РМ;УТС}

U"~ - интегральный показатель удовлетворенности транспортными услугами UTC,k = {а,„;Р1п;у,п}

a¡„ - показатель доступности i-й составляющей услуги, сформированный «-требованиями и определяемый сочетанием коэффициентов территориальной, временной и персональной доступности а,п =сс™р+а%+а™р

fjm - показатель реализуемости г-й составляющей услуги, сформированный «-требованиями и определяемый вероятностью возникновения дефицита производственных мощностей (или вероятностью образования очереди) и стабильностью выполнения услуги

7i„ - показатель функциональности г-й составляющей услуги, сформированный «-требованиями и определяемый способностью выполнять работы и оказывать услуги с приемлемым уровнем безопасности и качества г* =r" +rl+y3in■

Результаты расчетов, выполненные на примере г. Орла, легли в основу построения диаграммы численного распределения вклада составляющих автотранспортной

системы в реализацию функций города (рисунок 10). Анализ диаграммы показал, что параметры состояния составляющих и компонентов автотранспортной системы по таким функциям города как «Знания», «Власть», «Развлечения и отдых» находятся в области допустимых значений, определяемых рациональными потребностями человека.

Ф7

максимально возможное значение показателя реализации функций города

0,054

область рациональных потребностей человека

Ф1 - Жизнеобеспечение

Ф2 - Развлечения и отдых

Ф3 - Власть

Ф+ - Милосердие

Ф5 - Знания

Ф6 - Творчество

Ф7- Связь с природой

2кл

Зкл

4кл

_ фактическое значение

показателя реализации функций города 0,038

Ф

___максимальное из

допустимых значений параметров комфортного состояния

---минимальное из

допустимых значений параметров комфортного состояния

Рисунок 10 - Диаграмма численного распределения вклада составляющих автотранспортной системы в реализацию функций города (на примере г. Орла)

Показатель реализации функции «Жизнеобеспечение» стремится к максимально возможному значению (75 % от максимального значения) и выходит за область допустимых состояний. Вместе с тем, показатель реализации таких функций как «Милосердие» (2 % от максимального значения), «Творчество» (9 % от максимального значения) и «Связь с природой» (13% от максимального значения) находится ниже минимального значения области допустимых состояний, что свидетельствует о недостаточном вкладе отрасли в развитие городского хозяйства и требует принятия адекватных управленческих решений.

Полученные в ходе обследования показатели состояния производственной среды автотранспортных предприятий явились входными параметрами построенной агент-ной модели прогнозирования уровня экологической безопасности при удовлетворении рациональных потребностей в транспортных услугах. В частности, в основу работы модели положены результаты расчетов загрязнения атмосферного воздуха ингреди-ентными выбросами в пределах радиуса санитарно-защитной зоны от применяемых на автотранспортных предприятиях технологических процессов и уровня доступности, реализуемости и функциональности транспортных услуг.

в На рисунке 11 по оси ОУ отражены результаты кла-

стерного анализа данных, содержащих информацию о выборке и упорядочивании автотранспортных предприятий в сравнительно однородные группы в соответствии с классами их опасности, где 1кл - первый класс экологической опасности (самый опасный). Это есть результаты оценки в виде составляющих Z^7c, отражающие уровень техногенного воздействия автотранспортных предприятий на окружающую среду.

0,2 0,4 0,6 а) 2011 год

0,8

Результаты моделирования:

Пакет решений № 3 — Нормативный

1кг

2кл » * к

Зхл • * . .

4кл

0.2 0.4 0,6 0.8 1

б) t=24 месяца

2ц - количество регулятивных документов, инструкций;

232 - уровень внедрения нормативов по показателя качества окружающей среды;

233 - уровень экологического контроля

Пакет решений № 4 — Технический

0,2 0,4 0.6 0,8 1 в) /=18 месяцев

Z44- уровень внедрения биосферосовмесгимых технологий

241 - уровень внедрения очистных сооружений вытяжных устройств;

7,42 - уровень утилизации отходов;

7,41 - уровень использования нетрадиционных видов энергии;

Рисунок 11 - Схемы, отражающие: распределение автотранспортных предприятий на множестве их состояний, полученных на основе данных мониторинга и инвентаризации выбросов в атмосферу (поз. а), и результаты моделирования в ходе принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности на объектах автотранспортной инфраструктуры - нормативного характера (поз. б) и по техническому перевооружению (поз. в)

По оси ОХ отражены результаты кластерного анализа данных об удовлетворенности транспортными услугами, где 1 - это максимальная оценка уровня удовлетворенности как совокупности факторов доступности, реализуемости и функциональности услуг. Это есть результаты оценки в виде составляющих ZCc, отражающие удовлетворение потребностей населения в безопасных и качественных услугах.

Как следует из сопоставления результатов моделирования, при существующей схеме управления (рисунок 11, поз а)) экологическая ситуация не улучшается, может даже ухудшаться, поскольку факты негативного воздействия (сверх контрольных нормативов) от различных источников на автотранспортных предприятиях установлены.

Принятие определенных управленческих решений в составе разработанных пакетов решений градостроительного, нормативного, административного, технического и организационно-финансового плана направлено на перевод автотранспортных предприятий из категории экологически опасных в разряд безопасных. Так, реализация управленческих решений нормативного характера (поз. б рисунка 11) и решений по техническому перевооружению (поз. в рисунка 11) способствует сокращению числа экологически опасных объектов в течение определенного времени, принятого за период моделирования.

В соответствии с фундаментальным принципом 6 парадигмы биосферной совместимости критериями оценки эффективности принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности АТС города служат показатели нормативных значений качества природной среды и показатели значений, определяемые рациональными потребностями человека. Разработана система рейтинговой оценки эффективности принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности АТС города на основе сравнения достигнутых показателей состояния городской среды и экологической ситуации на урбанизированной территории, включающих показатели уровня развития человеческого потенциала и социальной напряженности в

городах, и критериальных значений. Фрагмент системы такой оценки для одного из компонентов природной среды - атмосферного воздуха - представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Фрагмент системы рейтинговой оценки эффективности принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности

Интегральный показатель оценки состояния компонентов и составляющих АТС города Критерий оценки эффективности принятия управленческих решений

Результат решения вес Результат решения вес Результат решения вес

Уровень загрязнения атмосферного воздуха отсутствуют X, - концентрация СО > 2х ПДК при и < 0,3 0 отсутствуют Х6 - концентрация СО > 2х ПДК при 0,3<и<0,6 0 отсутствуют Х9 - концентрация СО > 2х ПДК при и > 0,6 0

присутствуют Х2- концентрация СО>(1,2-2)хПДК при и < 0,3 1 присутствуют Хе - концентрация СО>(1,2-2)хПДК при 0,3 < II < 0,6 4 присутствуют Х^0- концентрация СО>(1,2-2)хПДК при 11 > 0,6 7

присутствуют Х3- концентрация СО>(1,2-0,8)хПДК при и < 0,3 2 присутствуют Х7 - концентрация СО>( 1,2-0,8)хЛДК при 0,3 < II < 0,6 5 присутствуют Х1Г концентрация СО>(1,2Ч>,8)хПДК при и > 0,6 8

присутствуют Х4- концентрация СО < 0,8х ПДК при и < 0,3 3 присутствуют Х8 - концентрация СО < 0,8х ПДК при 0,3 < II < 0,6 6 присутствуют Х,2- концентрация СО < 0,8хПДК при и > 0,6 9

Аналогичным образом разработаны критерии оценки эффективности принятия управленческих решений для состояний других анализируемых компонентов и составляющих автотранспортной системы города, представленные в полном объеме в диссертации.

В шестой главе отражена отраслевая реализация разработанных теоретических положений и представлены результаты внедрения разработанных рекомендаций по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы в практике городского хозяйства. Приводится методика оценки эколого-экономической эффективности предлагаемых проектных решений и результатов апробации биосферосовмести-мых технологий в производственной деятельности объектов автотранспортной инфраструктуры, основными этапами которой являются расчеты коэффициента экологично-сти (Кэ>1) и коэффициента биосферной совместимости урбанизированной территории (/7 >0,3).

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по экологической реконструкции урбанизированных территорий, находящихся в зоне влияния объектов автотранспортной инфраструктуры, и предложения к программам инновационного развития элементов автотранспортной системы города, основой которых служат фундаментальные принципы парадигмы биосферной совместимости. Основным механизмом реализации программных мероприятий и достижения показателей их результативности служат программно-целевые и фондовые механизмы управления, с помощью которых участники программ развития призваны работать на конечный результат с «персональной» ответственностью каждого.

В приложения к диссертации включены результаты мониторинга городской среды и обработки экспериментальных данных обследования производственной среды объектов автотранспортной инфраструктуры г. Орла; расчетные значения коэффициентов реализации, доступности и функциональности транспортных услуг, используе-

мые при построении агентной модели, копии актов внедрения и другие документы, подтверждающие достоверность и результативность исследования.

Заключение содержит основные научные результаты и выводы.

В результате проведенного исследования решена актуальная научно-техническая проблема, состоящая в разработке научных основ управления экологической безопасностью автотранспортной системы города на принципах биосферной совместимости и прогрессивного развития урбанизированных территорий, способствующих созданию безопасной и комфортной городской среды. Полученные научные результаты сводятся к следующему.

1. Предложен новый подход к управлению экологической безопасностью автотранспортной системы города, включающий:

- понятие экологически безопасного состояния автотранспортной системы города как одновременно устойчивого, сбалансированного и комфортного состояния;

- исходные гипотезы обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города, базирующиеся на основных положениях парадигмы биосферной совместимости, которые не противоречат экспериментальным и теоретическим исследованиям;

- принципы создания технологии обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города, способствующие преобразованию автотранспортной системы в экологически безопасную и комфортную структуру, развивающую человека;

- концептуальную модель экологической безопасности автотранспортной системы города в виде открытой динамической структуры;

- критерии оценки экологической безопасности автотранспортной системы города и эффективности принимаемых управленческих решений;

- научно обоснованные предложения к развитию мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города, ориентированные на комплексную оценку состоянии городской среды;

- алгоритм формирования и выбора управляющих воздействий по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы города, построенный на принципах адаптивного управления к изменяющейся экологической ситуации, и использующий модели и критерии на основе баланса био-, ноо- и техносферы.

2. Формализованы методы построения специализированной автоматизированной системы управления экологической безопасностью автотранспортной системы города и ее подсистем, реализующих предлагаемый подход и обеспечивающих адаптивное управление по отношению к динамике внешней среды и внутренним структурным перестройкам объекта управления. Для этого разработаны теоретико-множественные и структурные модели:

- объекта управления в виде многокомпонентной природо-социо-технической структуры, основными составляющими которой являются взаимодействующие между собой природная и социальная составляющие, подвергающиеся непосредственному и опосредованному техногенному воздействию объектов автотранспортной инфраструктуры при реализации функций города и удовлетворении рациональных потребностей населения;

- системы мониторинга экологической безопасности, учитывающей двойственность направлений функционирования автотранспортной системы города и сопоставления результата этих воздействий в проекции на развитие человека;

- информационно-аналитической системы формирования управления экологической безопасностью автотранспортной системы города как средства автоматизации принятия управленческих решений, включающих информационную поддержку, моде-

лирование и динамический анализ возможных последствий реализации решений, оценивание и выбор лучших сценариев управления.

3. Выявлены данные о состоянии компонентов природной среды городских территорий, находящихся в зоне влияния автомобильных дорог и в пределах радиуса сани-тарно-защитной зоны автотранспортных предприятий по результатам мониторинга, проводимого в течение 2004-2012 гг. на территории г. Орла. Установлены многократные превышения предельно допустимых значений ингредиентных выбросов в атмосферном воздухе, взвешенных частиц и нефтепродуктов в сточных водах от двигателей внутреннего сгорания передвижных и организованных (неорганизованных) стационарных источников, вследствие чего на локальных участках формируются устойчивые экологически неблагоприятные зоны.

4. Получены результаты интегральной оценки состояния составляющих автотранспортной системы г. Орла, соответствующие значениям лингвистических переменных: «уровень загрязнения природной среды» характеризуется в основном как «высокий», «выше среднего» и «средний», «уровень восстановления природной среды» -преимущественно как «средний»-, «уровень аварийности» на автомобильных дорогах -«высокий». Такая лингвистическая переменная, как «уровень состояния производственной среды», отражает наличие предприятий технического сервиса различного сегмента: от гаражных кооперативов (полученная оценка - «низкий») до фирменных автосалонов («выше среднего»), деятельность которых непосредственным образом влияет на формирование экологической ситуации. Лингвистическая переменная «уровень удовлетворенности спроса» отражает ситуацию с реализацией функций города и описывается термами «низкий», «средний» и «высокий», обозначая тем самым определенные сегменты участников рынка транспортных услуг и их вклад в развитие городского хозяйства.

5. Разработана методика количественной оценки вклада автотранспортной составляющей в реализацию функций города и определен обобщенный показатель реализуемости семи функций города на основе расчетных значений коэффициентов доступности, реализуемости и функциональности транспортных услуг с позиции их экологической безопасности. Укрупненный расчет показал, что параметры состояния отдельных составляющих и компонентов автотранспортной системы при реализации функций «Знания», «Власть», «Развлечения и отдых» находятся в области допустимых значений, определяемых рациональными потребностями человека, параметры их состояния при реализации функции «Жизнеобеспечение» превышают этот диапазон (75 % от максимального значения) и интегральный показатель стремится к максимуму. Полученные результаты расчета параметров состояния компонентов автотранспортной системы при реализации таких функций как «Милосердие», «Творчество» и «Связь с природой» показывают, что интегральные показатели находятся ниже минимального значения области допустимых состояний и составляют 2, 9 и 13% соответственно от максимального значения, и в целом свидетельствуют о несоблюдении принципов развития города как самоорганизующейся системы и необходимости принятия адекватных управленческих решений.

6. Предложен метод прогнозирования экологической безопасности автотранспортной системы города на основе агентного подхода, заключающийся в анализе динамики функционирования системы на основе выявления причинно-следственных связей между компонентами составляющих природо-социо-технической структуры. Построена мультиагентная модель автотранспортной системы города, экологически безопасное состояние которой есть результат взаимодействия компонентов системы как множества активных составляющих модели. Приводятся результаты имитационных

экспериментов по прогнозированию уровня загрязнения окружающей среды при оказании транспортных услуг. Сформированы альтернативные сценарии управления как вариации управляемых параметров автотранспортной составляющей с учетом градостроительных и нормативных требований, решений технического, административного, организационно-финансового характера. С учетом их реализации в составе численных экспериментов проанализированы варианты изменения экологически безопасного состояния объектов автотранспортной системы города. Дана оценка качества принимаемых управленческих решений, подтверждающая адекватность разработанной модели.

7. Разработаны рекомендации по обеспечению экологической безопасности и предложения к программам инновационного развития автотранспортной системы городов, основой которых явились фундаментальные принципы парадигмы биосферной совместимости. Рекомендации получили практическую реализацию при корректировке градостроительных и планировочных решений, разработке проектов комплексной жилой застройки и прилегающих дорожных территорий, проектов экологической реконструкции и технического перевооружения автотранспортных предприятий и других объектов автотранспортной инфраструктуры. В их числе: проект развязки дорожной сети в районе железнодорожного вокзала г. Орла, проект реконструкции дорожной инфраструктуры в районе аэропорта Адлер, проект комплексного благоустройства примагистральных территорий г. Брянска и г. Саранска. Разработанные проектные решения, содержащие предложения по рассредоточению транспортных потоков, рациональному расположению автотранспортных объектов на схеме развития транспортной системы и мероприятия по озеленению, позволили снизить загрязнение атмосферного воздуха от выбросов автотранспорта в рассматриваемых районах до 55 %, а уровень шумового и других видов воздействия до 30 %. Практика внедрения разработанной автором методики мониторинга состояния городской среды, учитывающей пространственно-временную изменчивость показателей природной среды, а также параметры внешнего воздействия, определяющих возникновение различных экологических ситуаций на урбанизированных территориях от воздействия автотранспорта, показала ее эффективность.

Список публикаций, отражающих результаты работы.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России

1. Бакаева, Н.В. Концептуальная модель экологически безопасной автотранспортной системы и постановка задачи управления [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Экология урбанизированных территорий. - 2013. -№ 2. - С.38-42. (0,25 п.лУ0,15 п.л. авт.).

2. Бакаева, Н.В. Методология управления экологической безопасностью автотранспортной системы города на принципах биосферной совместимости [Текст] / Н.В. Бакаева //Промышленное и гражданское строительство. - М., 2013. - № 5. - С.8-10. (0,13 пл.).

3. Константинов, И.С. Структурная модель автоматизированной системы управления территориальной автотранспортной системой [Текст] / И.С. Константинов, Н.В. Бакаева, О.В. Озаренко, Д.И. Федоров // Транспорт: наука, техника, управление. - М., 2013. - № 4. - С.4-8. (0,25 пл70,08 пл. авт.).

4. Бакаева, Н.В. Критерий экологической безопасности автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства на основе биосферосовместимых технологий [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Строительство. Реконструкция. - 2013. - №1/(45). -С.37-47. (0,62 плУ0,31 пл. авт.).

5. Константинов, И.С. Обобщенная модель информационно-аналитической системы формирования управления территориальной совместимой с биосферой системой автомобильного транспорта [Текст] / И.С. Константинов, Н.В. Бакаева, О.В. Озарен-ко, Д.И. Федоров // Транспорт: наука, техника, управление. - М., 2012 - № 4. - С.18-23. (0,31 плУ0,08 пл. авт.).

6. Ильичев, В.А. Предложения к доктрине градоустройства и расселения (стратегического планирования городов) [Текст] / В.А. Ильичев, А.М. Каримов, В.И. Колчу-нов, В.В. Алексашина, Н.В. Бакаева, С.А. Кобелева // Жилищное строительство. - М., 2012. -№1. - С.2-11. (0,56 пл./0,1 пл. авт.).

7. Бакаева, Н.В. Оценка вклада транспортной инфраструктуры в реализацию функций биосферосовместимого города [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Градостроительство. - М., 2012. - №1. - С.51-59. (0,5 плУ0,25 пл. авт.).

8. Бакаева, Н.В. Функциональное моделирование при управлении автотранспортной системой биосферосовместимого города [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - №4/(33) - С.264-274. (0,62 плУ0,31 пл. авт.).

9. Константинов, И.С. Структура системы мониторинга территориальной автотранспортной системы [Текст] / И.С. Константинов, Н.В. Бакаева, О.В. Озаренко, Д.И. Федоров // Вестник компьютерных и информационных технологий. - М., 2012. -№4. - С.33-37. (0,25 плУ0,06 пл. авт.).

10. Бакаева, Н.В. Моделирование экологически безопасной автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства и методика интегральной оценки ее состояния [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина, Д.В. Матюшин // Жилищное строительство. - М., 2012. -№6. - С.78-82. (0,25 плУ0,1 пл. авт.).

П.Голенков, В А. Основные направления обеспечения экологической безопасности автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства на основе биосферосовмесги-мых технологий [Текст] / В.А. Голенков, Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Строительство. Реконструкция. - 2012. - №2/(31). - С.55-63. (0,5 п.лУ0,17 пл. авт.).

12. Бакаева, Н.В. Методика расчета обобщенных критериев оценки состояния территориальной автотранспортной системы на основе концепции биосферной совместимости [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Научно-технический журнал Academia. Архитектура и строительство. - М., 2011. - № 4. - С.114-119. (0,31 плУ0,15 пл. авт.).

13. Бакаева, Н.В. Построение системы оценочных показателей и расчет показателя биосферной совместимости территориальной автотранспортной системы [Текст] / Н.В.Бакаева, И.В. Шишкина // Вестник Московского государственного строительного университета (МГСУ). - М., 2011. - № 3,Т1. - С.434-443. (0,56 п.лУ0,28 пл. авт.).

14. Бакаева, Н.В. Методика определения обобщенных критериев оценки состояния территориальной автотранспортной системы на основе концепции биосферной совместимости [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Известия Юго-Западного государственного университета. - Курск, 2011. - № 5. - 42. - С.43-48. (0,3 плУ0,15 пл. авт.).

15. Константинов, И.С. Обобщенная модель системы мониторинга состояния территориальной автотранспортной системы [Текст] / И.С. Константинов, Н.В. Бакаева, О.В. Озаренко, Д.И. Федоров // Научные ведомости БелГУ. - Белгород, 2011. -№7/(102) выпуск 18/1 - С.137-145. (0,5 плУ0,13 пл. авт.).

16. Константинов, И.С. Концептуальные основы управления территориальной автотранспортной системой на основе парадигмы биосферной совместимости [Текст] / И.С. Константинов, Н.В. Бакаева // Информационные системы и технологии. - Орел, 2010. - № 5(61). - С.109-119. (0,62 плУ0,31 пл. авт.).

17. Бакаева, Н.В. О концептуальном подходе к созданию модели производственной среды предприятий технического сервиса автомобилей на основе применения ин-

формационно-аналитических ресурсов [Текст] / Н.В. Бакаева // Известия ОрелГТУ. Информационные системы и технологии. - Орел, 2008. - № 4-3/272(550). - С.40-46. (0,38 пл.).

18. Бакаева, Н.В. Оценка состояния системы технического сервиса автотранспортных средств [Текст] / Н.В. Бакаева // Автотранспортное предприятие. - М., 2010. - №3. - С.50-56. (0,38 пл.).

19. Бакаева, Н.В. Удовлетворение спроса на услуги ТСА в регионах [Текст] / Н.В. Бакаева //Мир транспорта. - М., 2010. - № 4 - С.66-72. (0,38 пл.)

20. Бакаева, Н.В. Расчет показателя биосферной совместимости от воздействия предприятий технического сервиса автомобилей [Текст] / Н.В. Бакаева // Строительство. Реконструкция. - Орел, 2009. -№5/25 (573). - С.9-16. (0,44 пл.)

21. Бакаева, Н.В. Прогнозирование уровня автомобилизации и развития ТСА в регионах (на примере г. Орла) [Текст] / Н.В. Бакаева // Автотранспортное предприятие. -М., - 2009. - № 12. - С.42-48. (0,38 пл.).

22. Бакаева, Н.В.Результаты аудита предприятий технического сервиса автомобилей г. Орла [Текст] / Н.В. Бакаева // Известия ОрелГТУ. - Орел, 2009. - №3/23 (555). -С.77-85. (0,5 пл.).

23. Бакаева, Н.В.Экологические риски при обслуживании автомобилей [Текст] / Н.В. Бакаева // Мир транспорта. - М., 2009. - № 3 - С.134-139. (0,31 пл.).

24. Бакаева, Н.В. Оценка эффективности функционирования системы технического сервиса автомобилей [Текст] / Н.В. Бакаева //Автотранспортное предприятие. - М., 2009. - № 3. - С.51-60. (0,56 пл.).

25. Бакаева, Н.В. Определение оптимального количества рабочих постов станций технического обслуживания автомобилей на основе теории игр [Текст] / Н.В. Бакаева // Известия ОрелГТУ. - Орел, 2009. - №2/22 (554). - С.81-89. (0,5 пл.).

26. Бакаева, Н.В. К построению критерия эффективности функционирования системы технического сервиса автомобилей [Текст] / Н.В. Бакаева // Известия ОрелГТУ. -Орел, 2009. - № 1/21 (553). - С.90-98. (0,5 пл.).

27. Бакаева, Н.В. О концептуально-методологических подходах к управлению рисками и безопасностью дорожного движения [Текст] / Н.В. Бакаева // Известия ОрелГТУ. - Орел, 2008. - №1/17 (542). - С.67-75. (0,5 пл.).

28. Бакаева, Н.В. Состояние и перспективы развития парка легковых автомобилей г. Орла [Текст] / Н.В. Бакаева // Известия ОрелГТУ. - Орел, 2007. - №1 (13). - С.70-82. (0,75 пл.).

Публикации в международных изданиях:

29. Бакаева, Н.В. Методика оценки вклада составляющих автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства в реализацию функций биосферосовместимого города и ее численная реализация [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Бувдвництво та техногенная безпека, 2012, выпуск 41. - С.30-39. (0,56 плУ0Д8 пл. авт.).

30. Ильичев, В.А. City-planning Doctrine - ensuring of a biosphere compatible development of a city [Текст] / B.A. Ильичев, В.И. Колчунов, Н.В. Бакаева // Сб. материалов русско-немецкого круглого стола «Энергоэффективность в строительстве» в рамках русских дней строительной науки в Германии (11-18 ноября 2012 г). (0,56 пл./0,1 пл. авт.).

31. Колчунов, В.И. Вопросы управления биосферосовместимым городом [Текст] / В.И. Колчунов, И.С. Константинов, Н.В. Бакаева // Труды российско-германского семинара - Russisch-deutscher Workshop «Biospharenkompatibilitat von Städten» - при op-

ганизации Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) - Russische Akademie für Architektur und Bauwissenschaften (RAASN) и Мюнхенского технического университета - Technische Universität München und IESP01 - 02.12.2010 r. -C.6-10. (0,25 плУ0,08 пл. авт.).

32. Бакаева, Н.В. Моделирование управления автотранспортной системой биосфе-росовместимого города [Текст] / Н.В. Бакаева // Сб. мат. VIII Крымской Международной научно-практической конференции «Геометрическое и компьютерное моделирование: энергосбережение, экология, дизайн» (г. Симферополь, Национальная академия природоохранного и курортного строительства, 26 сентября - 30 сентября 2011 года). -2011.-С.15-22. (0,44 пл.).

33. Бакаева, Н.В. К постановке задачи управления системами жизнеобеспечения города на основе концепции биосферной совместимости [Текст] / Н.В. Бакаева // Сб. мат. VII Крымской Международной научно-практической конференции «Геометрическое и компьютерное моделирование: энергосбережение, экология, дизайн» (г. Симферополь, Национальная академия природоохранного и курортного строительства, 27 сентября - 01 октября 2010 года). - 2010. - С.423-427. (0,25 пл.).

34. Бакаева, Н.В. Управление экологической безопасностью автотранспортной системы. Основы, концепции, методы и методики: монография [Текст] / Н.В. Бакаева, И.С. Константинов. Издательский дом Palmarium Academic Publishing, 2013. - 357 с. ISBN 978-3-659-98597-3. (22 плЛ 1 пл. авт.).

35. Свид. об официальной регистрации базы данных № 2007620012. Предприятия автосервиса г. Орла (с интерактивной картой их расположения) / Н.В. Бакаева, Д.ОЛомакин, В.В. Недолужко, A.B. Ромахов (RU); заявка № 2006620335, дата пост. 24.10.2006 г; зарег. в Реестре баз данных 09.01.2007 г.

36. Свид. о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012617353. Программное средство моделирования территориальной автотранспортной системы на основе аппарата искусственных нейронных сетей / Н.В. Бакаева, Д.И. Федоров, О.В. Озаренко, В.И. Федоров, И.Е. Чуев (RU); заявка№ 2012615139; дата пост. 21.06.2012 г; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 15.06.2012 г.

37. Заявка № 2013612794 на регистрацию программы для ЭВМ «Программное средство регистрации и обработки данных экологического мониторинга загрязнения почвы» / ДЛ.Санников, Ф.В. Бахтин, Н.В. Бакаева, (RU); дата пост. 09.04.2013 г.

Публикации в других научных изданиях:

38. Ильичев, В.А. Количественная оценка и предложения к повышению качества городской среды на принципах биосферной совместимости [Текст] / В.А. Ильичев,

B.И. Колчунов, В.А. Гордон, Н.В. Бакаева // Труды Общего собрания РААСН «Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2012 году». - 2013. - С.426-433. (0,44 плУ0,11 пл. авт.).

39. Бакаева, Н.В. Системное представление автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства с позиции биосферной совместимости [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. - 2013. - №1. -

C.69-75. (0,38 плУОД пл. авт.).

40. Ильичев, В.А. Моделирование и количественная оценка составляющих гуманитарного баланса биотехносферы урбанизированных территорий [Текст] / В.А. Ильичев, В .И. Колчунов, В .А. Гордон, Н.В. Бакаева // Труды Общего собрания РААСН «Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному

41. Бакаева, Н.В. Интегральная оценка состояния производственной среды территориальной автотранспортной системы [Текст] / Н. В. Бакаева, О.В. Озаренко, Д.И. Федоров // Сб. мат. V Международной научно-технической Интернет-конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (г. Орел, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНИК», 17-18 мая 2012 г.). -7 с. (0,44 п.лУ0,15 п.л. авт.).

42. Константинов, И.С. Моделирование управления в системе жизнеобеспечения поселений с позиции концепции биосферной совместимости [Текст] / И.С. Константинов, Н.В. Бакаева // Труды Общего собрания РААСН «Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли». - 2011. - С.458-468. (0,62 пл. /0,31 пл. авт.).

43. Бакаева, Н.В. Модель процессов мониторинга состояния территориальной автотранспортной системы [Текст] / Н.В. Бакаева, Д.И. Федоров, О.В. Озаренко // Сб. мат. Международной научно-практической интернет-конференции «Информационные системы и технологии» (г. Орел, ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 01 апреля-31 мая 2011 г.) - 6 с. (0,34 п.лУ0,11 пл. авт.).

44. Константинов, И.С. Модели управления автотранспортной системой биосфе-росовместимого города [Текст] / И.С. Константинов, Н.В. Бакаева // Сб. мат. координационного совещания по междисциплинарной тематике РААСН «Биосферосовме-стимые города и поселения» (Москва, МГСУ, 16 февраля 2011 г.) -М., 2011. - С.77-85. (0,5 плУ0,25 п.л. авт.).

45. Бакаева, Н.В. Оценка влияния автотранспортной системы на экологию города с позиции парадигмы биосферной совместимости [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Сб. мат. научно-технической Интернет-конференции «Экология и безопасность в техносфере» (г. Орел, ОрелГТУ, декабрь 2010 г.). - 2011. - С. 195-197. (0,18 плУ0,09 пл. авт.).

46. Бакаева, Н.В. Решение задачи многокритериальной оценки состояния производственной среды системы технического сервиса автомобилей [Текст] /Н.В. Бакаева // Сб. мат. Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса» (Магадан, Северо-Восточный государственный университет, 29-30 ноября 2010 г). Магадан, - 2011. - С.219-222. (0,19 пл.).

47. Бакаева, Н.В. Формирование показателей оценки состояния автотранспортной системы города с позиции парадигмы биосферной совместимости [Текст] / Н.В. Бакаева, И.В. Шишкина // Сб. мат. П-й Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного и биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах» (г.Брянск, БГИТА, 30 ноября 2010 г.). - Т 2. - С.276-282. (0,38 п.лУ0,16 п.л. авт.).

48. Бакаева, Н.В. Причинно-следственный анализ удовлетворения спроса на услуги ТСА в регионах [Текст] /Н.В. Бакаева // Мат. Международной научно-практической Интернет-конференции «Современные направления теоретических и прикладных ис-следований-2010». Одесса - 15-26 марта 2010 г. - 5 с. (0,31 пл.).

49. Бакаева, Н.В. Интегральная оценка состояния производственной среды предприятий технического сервиса автомобилей [Текст] /Н.В. Бакаева // Сб. мат. VII Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» (Красноярск, 25-27 ноября 2010 г.): В 2-х ч. - Новосибирск, 2010. - 4.1 - С.47-57. (0,62 пл.).

50. Бакаева, Н.В. Функциональная декомпозиция целей системы технического сервиса автомобилей [Текст] /Н.В. Бакаева // Мир транспорта и технологических машин. - Орел, 2009. - № 1/24 (565) - С.13-26. (0,81 пл.).

51. Бакаева, Н.В Обеспечение экологической безопасности от предприятий технического сервиса автомобилей на основе концепции биосферной совместимости [Текст] /Н.В. Бакаева // Сб. мат. VI Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы». (Новосибирск, 21-23 апреля 2009 г.): В 2-х ч. - Новосибирск, 2009. - 4.1 - С.58-66. (0,5 пл.).

52. Бакаева, Н.В. Интеграция мнения специалистов при принятии управленческих решений для системы технического сервиса автомобилей [Текст] /Н.В. Бакаева, А.В. Кулев // Мир транспорта и технологических машин. - Орел, 2009. - № 2/25 (557) -С.17-27. (0,62 п л У0,31 пл. авт.).

53. Бакаева, Н.В. Создание автоматизированной распределенной системы мониторинга предприятий технического сервиса автомобилей и координации их взаимодействия [Текст] / Н.В. Бакаева, А.В. Ромахов // Сб. мат. III Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образования и производстве (ИТНОП). - Орел, 2008. - №1-2/269(544). - С.25-30. (0,31 плУ0,15 пл. авт.).

54. Бакаева, Н.В Развитие и совершенствование технического сервиса автотранспортных средств в г. Орле и Орловской области: проблемы и перспективы [Текст] / Н.В. Бакаева // Сб. трудов по мат. 66-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (ГТУ). - М., 2008. - С.63-77. (0,88 пл.).

55. Бакаева, Н.В. Создание автоматизированной распределенной системы мониторинга предприятий технического сервиса автомобилей [Текст] / Н.В. Бакаева // Сб. мат. VI Международной научно-практической Интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век». - Орел, 2008. - С.73-78. (0,31 пл.).

56. Бакаева, Н.В. О концептуально-методологических подходах к управлению безопасностью дорожного движения [Текст] / Н.В. Бакаева, В.В. Чикулаева // Сб. мат. V Международной научно-технической конференции «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России», 26 - 28 мая 2008 г., Пенза, 2008. - С. 178-184. (0,38 пл. /0,19 пл. авт.).

Подписано к печати 18.06.2013 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 68 Отпечатано с готового оригинал - макета на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНГЖ», 302030, г. Орел, ул. Московская, 65.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный

комплекс»

На правах рукописи

05201351429

Бакаева Наталья Владимировна

УПРАВЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ

АВТОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ГОРОДА НА ПРИНЦИПАХ БИОСФЕРНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д-р техн. наук, проф. И. С. Константинов

Орел-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................ 6

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ АВТОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ КАК ИНФРАСТРУКТУРНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА....................................... 16

1.1 Обеспечение экологической безопасности города и критерии оценки техногенного воздействия на природную среду................................. 16

1.2 Функциональные особенности автотранспортной системы города, влияние на окружающую среду и перспективные направления ее развития

в едином комплексе задач урбанизированных территорий...................... 32

1.3 Существующие концепции управления экологической безопасностью автотранспортной составляющей городского хозяйства и примеры построения систем управления в этой области...................................... 51

1.4 Методы и подходы, используемые при оценке, прогнозировании и управлении экологической безопасностью автотранспортной системы города... 71

1.5 Выводы и конкретизация задач исследования............................ 91

ГЛАВА 2 ПОДХОД К УПРАВЛЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ АВТОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ГОРОДА НА ПРИНЦИПАХ БИОСФЕРНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ........................ 94

2.1 Исходные гипотезы и предпосылки......................................... 94

2.2 Принципы создания технологии обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города на основе парадигмы био- 100 сферной совместимости..................................................................

2.3 Системное представление и концептуальная модель экологической

безопасности автотранспортной системы города......................................................................102

2.4 Критерий экологической безопасности автотранспортной системы города на основе баланса био- и техносферы..............................................................................105

2.5 Структурная модель экологической безопасности автотранспортной системы города как модель объекта управления............................................................110

2.6 Выводы по главе 2..............................................................................................................................116

ГЛАВА 3 РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ГОРОДА 117

3.1 Обоснование используемых показателей и параметров мониторинга с позиции биосферной совместимости............................................. 117

3.2 Основные требования, предъявляемые к автоматизированной системе мониторинга и функциональная модель мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города........................................... 126

3.3 Структурная модель автоматизированной системы мониторинга экологической безопасности автотранспортной системы города............... 137

3.4 Выводы по главе 3............................................................... 146

ГЛАВА 4 МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ, ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ АВТОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ГОРОДА................................ 147

4.1 Алгоритм формирования и выбора управляющих воздействий по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы города... 147

4.2 Методика интегральной оценки экологической безопасности составляющих автотранспортной системы города.................................... 152

4.3 Прогнозирование экологической безопасности автотранспортной системы города на основе агентного подхода....................................... 176

4.4 Обобщенная структурная модель автоматизированной системы управления экологической безопасностью автотранспортной системы города и ее теоретико-множественное описание..................................... 199

4.5 Теоретико-множественное описание и структурная модель информационно-аналитической системы формирования управления экологической безопасностью автотранспортной системы города.......................... 208

4.6 Выводы по главе 4................................................................ 220

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПОДХОДА К УПРАВЛЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ НА ПРИМЕРЕ АВТОТРАСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА.............................................................................. 222

5.1 Результаты мониторинга состояния автотранспортной инфраструк-

туры городского хозяйства.............................................................. 222

5.2 Формирование системы оценочных показателей состояния и обследование производственной среды объектов автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства....................................................... 242

5.3 Результаты интегральной оценки состояния составляющих автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства................................. 250

5.4 Количественная оценка вклада составляющих автотранспортной системы в реализацию функций города и результаты прогнозирования экологической безопасности................................................................. 265

5.5 Выводы по главе 5............................................................... 302

ГЛАВА 6 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ГОРОДА И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.............................................................. 304

6.1 Рекомендации по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы города и предложения к программам развития автотранспортной инфраструктуры городского хозяйства............................. 304

6.2 Методика оценки эколого-экономической эффективности предлагаемых рекомендаций по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы города.......................................................... 312

6.3 Результаты внедрения разработанных рекомендаций по обеспечению экологической безопасности автотранспортной системы города............ 322

6.4 Выводы по главе 6................................................................. 346

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 347

Список использованных источников............................................. 352

Приложение А Вероятность возникновения отказов систем и агрегатов автотранспортных средств............................................................... 382

Приложение Б Расчетные формулы и значения предельно-допустимых концентраций ингредиентных выбросов............................................. 385

Приложение В Расчетные значения уровней оцениваемых коэффициентов реализуемости, доступности и функциональности требований к транспортным услугам.................................................................... 389

Приложение Г Расчетные значения параметров и установленные категории экологической опасности автотранспортных предприятий г. Орла..... 393

Приложение Д Расчетные формулы и граничные значения оценочных показателей состояния производственной среды объектов автотранспортной составляющей......................................................................... 397

Приложение Е Обеспеченность предприятий автотранспортной инфраструктуры различными факторами (показателями)........................... 405

Приложение Ж Результаты статистической обработки экспериментальных данных обследования производственной среды объектов автотранспортной составляющей для четырех территориальных районов г. Орла.............. 413

Приложение 3 Функции принадлежности для оценки состояния автотранспортной составляющей природо-социо-технической структуры автотранспортной системы города......................................................... 426

Приложение И Функции принадлежности для оценки состояния социальной составляющей природо-социо-технической структуры автотранс- 429 портной системы города.................................................................

Приложение К Расчетные значения коэффициентов доступности, используемых при интегральной оценке уровня доступности транспортных

услуг.......................................................................................... 432

Приложение Л Расчетные значения коэффициентов реализуемости, доступности и функциональности составляющих автотранспортной инфраструктуры в реализацию функций города......................................................... 435

Приложение М Значения параметров реализуемости по группам показателей состояния производственной среды объектов автотранспортной

инфраструктуры........................................................................... 454

Приложение Н Предложения к программам развития автотранспортной системы города и управления ее экологической безопасностью на

принципах биосферной совместимости.............................................. 458

Приложение О Акты и справки о внедрении результатов диссертационной работы............................................................................... 467

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день города, ставшие ведущей формой человеческого поселения, и созданная человеком городская среда, являются центрами современной техногенной цивилизации. Однако развитие цивилизации при недостаточном учете законов взаимодействия между обществом и природой сопровождается значительным воздействием на компоненты природной среды, что чревато катастрофическими последствиями для биосферы и человека как ее части. В целом пока не удалось достичь принципиальных положительных тенденций изменения качества жизни людей на урбанизированных территориях, что, прежде всего, связано с используемой идеологией - «люди для предприятий», «люди для системы» и «люди для города». В итоге современные российские города и поселения постепенно превращаются из центров развития цивилизации в источники разрушения окружающей природы и деградации населения.

Поэтому насущной проблемой, стоящей перед обществом, является создание условий для самоподдерживающего развития городов на основе единения природы и городского хозяйства в интересах достижения и сохранения необходимого уровня качества жизни как нынешнего, так и будущего поколений людей. Решение этой проблемы во многом связано с преодолением негативных последствий, обусловленных особенностями и противоречиями процесса современной урбанизации.

Автотранспортная система (АТС) является частью системы жизнеобеспечения городского хозяйства и важной составляющей в реализации функций города, а ее объекты - источниками мощного техногенного воздействия на окружающую среду. Сложившаяся неблагоприятная экологическая ситуация в большинстве мегаполисов и крупных городов является следствием того, что чаще всего критерием эффективности функционирования транспортных систем служат получение прибыли и расширение масштабов бизнеса, а не сбалансированность и устойчивость городской среды на основе приоритетов ресурсосбережения, экологичности и безопасности. В итоге констатируются: рост потребления невозобновляемых

природных ресурсов, вредных выбросов и неутилизируемых отходов и, соответственно, - увеличение ущерба от этих воздействий и затрат на содержание и развитие объектов автотранспортной инфраструктуры. При этом важным результатом анализа деятельности автотранспортной системы является вывод, характеризующий ее способность как сложной организационно-технической структуры функционировать, удовлетворяя необходимые экономические потребности во взаимодействии с природной средой.

Вместе с тем, распространенная точка зрения о том, что переход к рыночной модели экономического развития и концепции делегированного саморегулирования автоматически позволит решить все экологические проблемы оказалась несостоятельной. Рынок плохо приспосабливается к действиям, имеющим перспективную направленность в отношении интересов будущих поколений и связанным с использованием ресурсов, находящихся в общественной собственности. Отечественный опыт потребления природных ресурсов и неутешительные данные статистики в области экологической безопасности полностью подтверждают данный тезис.

С этих позиций существующие традиционные подходы к управлению экологической безопасностью автотранспортной системы города, несмотря на проведенное значительное количество научных исследований, не могут обеспечить условия адаптивности системы по отношению к динамике и особенностям городской среды. Возникает задача разработки методологических основ управления экологической безопасностью автотранспортной системы города на новой концептуальной основе, опирающейся с одной стороны, на фундаментальные научные результаты, и учитывающей, с другой стороны, междисциплинарный характер исследований в этой области. Такой подход к управлению должен быть направлен на саморегулирование жизнедеятельности, формирование новой понятийной схемы переосмысления общественных интересов, разработку гуманитарных технологий преодоления патологии сознания человека и антагонистического отношения к природе. В теоретическом плане эта задача пока находится в стадии постановки, и имеется мало примеров ее практической реализации, тем более в

части построения систем управления. Это предопределяет наличие проблемы настоящего диссертационного исследования, актуальность ее решения в едином комплексе задач социально-экономического и соответствующего научно-технического развития урбанизированных территорий и охраны окружающей среды.

В качестве концептуальной основы управления экологической безопасностью автотранспортной системы города принята разработанная Российской академией архитектуры и строительных наук новая мировоззренческая парадигма биосферной совместимости, связывающая удовлетворение рациональных потребностей человека с устойчивым региональным (территориальным) развитием и эволюционными преобразованиями в сознании людей.

Цель диссертационной работы - разработка научных основ управления экологической безопасностью автотранспортной системы города на принципах биосферной совместимости и прогрессивного развития урбанизированных территорий.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- провести анализ современных методов обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы как инфраструктурной составляющей городского хозяйства и существующих концепций управления экологической безопасностью;

- разработать принципы создания технологии обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города;

- построить концептуальную модель экологической безопасности автотранспортной системы и выполнить ее теоретико-множественное представление как объекта управления;

- сформулировать критерии оценки экологической безопасности автотранспортной системы города на основе баланса био- и техносферы;

- разработать модели и алгоритмы оценки, прогнозирования и управления экологической безопасностью автотранспортной системы города;

- построить структурную модель автоматизированной системы управления и детализировать ее основные подсистемы в качестве современного средства обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города;

- провести экспериментальные и численные исследования методов и алгоритмов управления экологической безопасностью автотранспортной системы (на примере г. Орла), включающие экологический мониторинг, прогнозирование, обоснование и оценку эффективности принятия управленческих решений;

- разработать практические рекомендации по обеспечению экологической безопасности и перспективному развитию автотранспортной системы и способы их реализации в программах и проектах развития города с оценкой эколого-экономической эффективности предлагаемых мероприятий.

Объект исследования - процесс обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города как ключевого фактора создания безопасной и комфортной городской среды.

Предмет исследования - принципы и подходы к управлению экологической безопасностью автотранспортной системы города и обеспечивающие их модели, методы, методики и алгоритмы.

Методы исследований базируются на основных положениях системного анализа, теории моделирования систем, методах математической статистики и прогнозирования, теории множеств и математической логике, экспертных оценках, нечеткой логике, методах автоматизированного управления и принятия решений и других.

Научная новизна работы заключается в разработке нового подхода к управлению экологической безопасностью автотранспортной системы города, содержащего совокупность взаимосвязанных научных элементов, в частности:

- разработаны принципы создания технологии обеспечения экологической безопасности автотранспортной системы города, базирующиеся на положениях парадигмы биосферной совместимости, способствующие преобразованию автотранспортной системы в экологически безопасную и комфортную структуру, развивающую человека;

- построена концептуальная модель экологической безопасности, основывающаяся на системном представлении