Нечётко-кластерные алгоритмы и программно-информационное обеспечение автоматизированной системы оценки качества окружающей среды в районе металлургических предприятий

Актуальность диссертации. По своей природе решения могут быть одноцелевыми или многоцелевыми, а также одно или многоатрибутными. Как правило основную массу проблем, решаемых системами поддержки принятия решений (СППР), составляют многоцелевые и многоатрибутные проблемы. Например, в состав комплексной оценки эрозии почвы могут входить такие показатели как: угол наклона земельного участка, процент хозяйственного использования, тип почвы и пр. При этом основная задача принятия решений сводится к проблеме объединения перечисленных показателей в комплексные оценки эрозии почвы. Задачи такого класса получили название многоатрибутных оценок. Они составляют основу при разработке эколого-лесоводственнных требований и нормативов, обеспечивающих лесохозяйственную и лесопромышленную, деятельности, разведку и добычу полезных ископаемых, снижающих отрицательное воздействие на лесные экосистемы. Усиление защитной роли лесов предполагается решать путем разработки методов и нормативов повышения устойчивости, долговечности и экологической ценности насаждений, критериев оценки состояния лесов, в том числе особо охраняемых природных территорий, разработки методов восстановления функциональных качеств лесных территорий, деградировавших в результате нерегулируемого техногенного воздействия. Не потеряли актуальности разработки многоатрибутных оценок в области изучения различных воздействий на лесные экосистемыразработка методов оценки результатов ведения лесного хозяйства на осушаемых землях лесного фондаразработка нормативов предельно допустимых уровней техногенных загрязненийметодов контроля техногенного загрязнения лесных биогеоценозов поллютантами различного происхождениякомплекса мероприятий по организации ведения лесного хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения и в районах с повышенной потенциальной радиационной опасностьюэкономическая оценка ущерба, нанесенного лесным экосистемам в результате воздействия природных и антропогенных факторов, а также при катастрофических ситуациях. Экологически важными являются научные исследования по разработке нормативов и оценок ресурсного и природно-экологического потенциала лесов, в особенности при введении в лесные культуры перспективных лесообразующих пород, в том числе интродуцентов, созданию плантаций пищевых и технически ценных быстрорастущих лесных культур, а также в процессе восстановления лесной растительности в зоне деятельности крупнейших металлургических, горнодобывающих, химических и других предприятий.

Для российского лесного хозяйства важной проблемой остается оценка «V воздействия лесных пожаров. Остаются актуальными разработки по совершенствованию методологии оценки пожарной опасности в лесу по условиям погоды, прогноза поведения лесных пожаров, совмещения традиционных и новых современных способов противопожарной деятельности и профилактики предупреждения распространения огня в лесу. Необходима разработка системы раннего обнаружения, определения координат и слежения за лесными пожарами на основе использования геоинформационных (ГИС) технологий, новых технических средств (грозопеленгаторы, лазерные дальномеры, космическая съемка, авиационная техника и др.).

Важной задачей исследований в области лесозащиты является обоснование Л и разработка экологических норматив и мероприятий (технологий) разного уровня, которые обеспечивают эффективную защиту леса от вредных организмов, сохранение биологического разнообразия и продуктивности лесов. К перспективным относятся разработки многокритериальных оценок по управлению численностью популяций вредных насекомых и болезням, моделированию экологических процессов и оптимизации стратегии и тактики лесозащиты с использованием системного анализа и современных информационных технологий.

Актуальными являются разработки по совершенствованию критериев и методов, составляющих основу наземных и дистанционных методов лесопатологического мониторинга, обследованию и оценки очагов вредных организмовсистем принятия решений и планирования лесозащитных мероприятий на базе эколого-экономических критериев и эколого-экономической оптимизации, а также комплекса профилактических и активных мер защиты, включая методы оценки результативности и оптимизации интегрированных систем.

В решении большинства вопросов лесоуправления важное место принадлежит лесоустройству, которое обеспечивает проведение периодической инвентаризации лесов и разработку комплексных проектов организации и ведения лесного хозяйства, в том числе выявление всего комплекса ресурсов и полезности лесов. Документы лесоустройства являются первичной информационной основой для организации и ведения лесного хозяйства, государственного учета лесного * фонда, государственного лесного кадастра, мониторинга лесов, разработки государственных норматив использования, охраны, защиты лесного фонда и воспроизводства лесов. Разрабатываемые методы многокритериальных оценок необходимые для осуществления эколого-экономического анализа и эколого-экономической оптимизации лесов в районе промышленных предприятий должны учитывать широкое применение ГИС-технологий.

При разработке многокритериальных оценок состояния лесов исключительно важным является выполнение международных обязательств, связанных с Конференцией ООН по окружающей среде и развитию 1992 г. в Рио-де-Жанейро, отраженных в документах «Лесные принципы» и «Повестка дня на XXI век», требований и рекомендаций последующих соглашений по сохранению лесов и устойчивому управлению лесами (Монреальский, Хельсинский процессы и другие), Программы действий по лесам стран восьмерки (1998), Конвенции по биологическому разнообразию (1995), Рамочной конвенции ООН об изменении климата (1994) и Киотского протокола к ней (1997).

Многие проблемы принятия решений являются не только многоатрибутными, но и многоцелевыми. При этом большинство процедур решения многоцелевых задач защиты окружающей среды сводятся к задачам математического программирования [1−3]. Для правильной оценки принятых решений требуется, чтобы для каждого альтернативного решения проводилась оценка риска его принятия. Правильное решение как правило основано на надежной входной информации, имеющейся в базах данных. Однако эта информация редко бывает абсолютно достоверной. Это приводит к неопределенности, источником которой являются две причины: недостоверность данных и неточность решающих алгоритмов и правил.

Основной причиной неопределенности данных являются ошибки измерения. Однако в некоторых случаях неопределенности имеют принципиальный характер и связаны с неопределенностью положения границ между качественно различными областями. Например, неопределенность разграничения двух классов земельных участков на пологие и крутые в зависимости от величины склона. Другим примером является неопределенность разграничения территории вокруг промышленных предприятий на экологические зоны.

Рассмотрим в качестве следующего примера лесные массивы, расположенные в зоне воздействия промышленного химического загрязнения. В случае сильной техногенной нагрузки воздействие проявляется в виде физиономических симптомов заболевания: дефолиация и дехромация листьев, изреживание кроны и пр. При небольших нагрузках явные симптомы экологического неблагополучия отсутствуют и изменение экологического состояния выражается в уменьшении видового разнообразия компонент экосистемы, в снижении общей продуктивности, в изменении трофических циклов и пр. Такие параметры лесной экосистемы, как степень дефолиации или дехромации листьев, изреживание кроны, суховершинность, класс бонитета и изменение трофических циклов описываются нечеткими лингвистическими переменными, например: «большой», «средний», «малый», «хороший» и пр. Неопределенности такого класса хорошо описываются с помощью формализма теории нечетких множеств (ТНМ), основы которой были разработаны Заде [4−8]. Неопределенность решения может быть также обусловлена неопределенностью решающих правил, которые в свою очередь возникают, как вследствие ошибок в численных параметрах моделей, так и по причине не правильной структуры самих решающих правил и алгоритмов.

Для решения проблемы неопределенности были разработаны различные теоретические модели, включая байесовские решающие правила [9] и нечеткие алгоритмы [10].

Как отмечалось выше, основной задачей многоатрибутного оценивания является построение комбинации качественно различных показателей в единые интегральные оценки или индексы. В случае булевских показателей удобным инструментом для получения комплексной оценки являются логические операции. Для непрерывных величин, как правило, используются взвешенные линейные или полиномиальные комбинации базовых показателей, которые в некоторых случаях умножаются на функции-ограничения. Таким образом, задача многоатрибутного оценивания сводится к задаче определения весовых коэффициентов интегральных индексов.

Интегральные индексы имеет достаточно широкое применение в различных научных и прикладных областях. Как правило, индексы представляют собой алгоритмы сжатия больших объемов информации в отдельные характеристики и показатели. В задачах кластеризации и распознавания образов интегральные индексы применяются для сегментации изображений [11]. Понятие индекса впервые введено в общей теории статистики, где индекс используется для экономического анализа, как показатель сравнения двух состояний одного и того же явления, состоящего из соизмеримых или несоизмеримых элементов [12]. Ряд интегральных индексов разработаны для проведения экологических оценок [13,14]. Важную роль интегральные индексы играют в экологических экспертных системах (ЭС) и экологических системах поддержки принятия решений. Следует отметить, что экологическая информация является в основном нечеткой, поэтому экологические СППР должны оперировать нечеткой и лингвистической информацией, характеризующей экологическое состояние природных систем.

В настоящее время аппарат ТНМ широко применяется для решения следующих задач [15−18]: разработка нечетких баз данныхнечеткое структурное моделированиенечеткое регрессионное моделированиенечеткий групповой метод обработки данныхнечеткое интегрирование и квантованиеразработка нечетких аналитических иерархических процессовнечеткое математическое планированиенечеткое многоцелевое планированиеразработка методов нечеткого статистического принятия решенийразработка методов нечеткого многоатрибутного принятия решений.

Как следует из спектра выше перечисленных задач, проблема нечеткого многоатрибутного принятия решений относится к числу наиболее важных и актуальных. Это связано в первую очередь с большими объемами информации различного качественного характера, на основании которой требуется осуществлять принятие правильных решений. Раработке методов, алгоритмов и программно-информационного обеспечения решения этой важной проблемы в части важного и актуального направления эколого-экономического анализа и СППР защиты окружающей среды и посвящена данная диссертационная работа.

Следует отметить также важность и актуальность задачи получения эколого-экономических оценок стоимости земельных участков в районе промышленных и в особенности металлургических предприятий, как крупных источников существенного химического загрязнения. Эта проблема связана с задачей экологического зонирования территории вокруг промышленных источников химического загрязнения, которая по своему существу имеет нечеткий характер вследствие мозаичности границы между экологическими зонами.

Основные направления исследований данной кандидатской диссертации выполнялись в соответствии с проектами Российского фонда фундаментальных исследований № 98−04−48 259 «Теоретическое и экспериментальное исследование поведения лесных экосистем под воздействием газовых выбросов промышленных предприятий в окрестности порога токсического воздействия» и № 02−04−48 233.

Теоретическое и экспериментальное исследование роли метастабильного состояния в доза-эффект динамике лесных экосистем под воздействием газовых выбросов промышленных предприятий" .

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

• Разработана концептуальная модель системы поддержки принятия решений (СППР) защиты окружающей среды, в основу которой положены представления о многокритериальных и многоатрибутных оценках качества природных систем и покрытых лесом земельных участков с использованием доза-эффект зависимостей, эколого-экономического анализа и эколого-экономической оптимизации, которые являются необходимым условием устойчивого развития природно-техногенных систем.

• Разработана методика использования интегральных индексов для формирования многокритериальных оценок экологического состояния природной среды в районе металлургических предприятий.

• Разработана методика и алгоритмы для определения главного интегрального индекса, который необходим для решения задач ранжирования покрытых лесом земельных участков в районе металлургических комбинатов.

• Разработаны методика и алгоритм анализа доза-эффект зависимостей, что необходимо для формирования лингвистического словаря оценок качества природной среды в районе металлургических комбинатов.

• Разработан алгоритм, который предназначен для кластеризации покрытых лесом земельных участков с учетом притяжения кластеров к особым точкам доза-эффект зависимостей на основе метода k-средних. Алгоритм позволяет сгруппировать земельные участки в отдельные группы с одинаковым качеством природной среды.

• Разработан агломеративный алгоритм, который предназначен для кластеризации покрытых лесом земельных участков с учетом притяжения кластеров к особым точкам доза-эффект зависимостей. Алгоритм позволяет на основании дендрограммы классов сгруппировать участки по критерию качества природной среды в отдельные группы, размеры которых приведены в соответствие с размерами зон экологического районирования, которые были получены в результате анализа доза-эффект зависимостей.

• Разработана методика и алгоритмы расширения лингвистического словаря экологического районирования земельных участков в районе металлургических комбинатов. Методика и алгоритмы были использованы в компьютерной автоматизированной системе оценки качества окружающей среды в районе металлургических производств (АСКОС МП) для автоматического увеличения количества термов лингвистического словаря экологического районирования.

• Разработана архитектура комплекса программных средств автоматизированной системы оценки качества окружающей природной среды в районе металлургических предприятий (АСКОС МП), которая позволяет в рамках удобного интерфейса и без специальных знаний как в области программирования, так и в специальных предметных областях математической экотоксикологии, экологического моделирования, теории классификации и кластеризации, а также обработки космических изображений, использовать разработанные в диссертации алгоритмы и программные средства для кластеризации, ранжирования, выбора и оценки качества природной среды покрытых лесом земельных участков в районе металлургических производств.

Практическая значимость диссертации состоит в следующем: Разработанное методическое и программно-информационное обеспечение СППР защиты окружающей среды было использовано для эколого-экономических оценок в районе металлургического комбината «Печенганикель» и может быть предложено для аналогичных оценок в районе других промышленных источников химического загрязнения, а также в качестве инструментария в экспертных системах и системах экологического мониторинга.

Разработанны методы и алгоритмы анализа экспериментальных данных о состоянии природной среды в районе металлургических предприятий, позволяющие на практике производить многосторонние и объективные оценки качества природной среды. На основании экспериментальных данных по доза-эффект зависимостям были рассчитаны интегральные характеристики дозы и эффекта для лесных массивов в районе металлургического комбината «Печенганикель» на Кольском полуострове, а также рассчитана интегральная доза-эффект зависимость, анализ которой позволил выделить пять зон различного экологического качества природной среды в районе комбината.

С помощью разработанного агломеративного алгоритма кластеризации покрытых лесом земельных участков с учетом притяжения кластеров к особым точкам доза-эффект зависимостей были построены дендрограммы расстояний в пространстве признаков для 12 лесных участков в районе комбината. Полученные дендрограммы позволили выделить эквивалентные по качеству природной среды группы земельных участков, которые затем были ранжированы по величине суммарного интегрального индекса.

С использованием разработанного алгоритма кластеризации покрытых лесом земельных участков с учетом притяжения кластеров к особым точкам доза-эффект зависимостей на основе метода k-средних была проведена кластеризация лесных участков в районе комбината. В качестве центров притяжения были использованы центры пяти экологических зон, найденные с помощью интегральной доза-эффект зависимости. Участки, находящиеся в одном и том же кластере, эквивалентны друг другу, что было учтено при проведении их стоимостной оценки.

Важное практическое значение имеют также разработанные в диссертации методы и алгоритмы экологического зонирования лесов в районе промышленных источников химического загрязнения, а также алгоритмы и программы эколого-экономической оценки земельных участков.

Основные результаты научных исследований.

1. Разработана концептуальная модель системы поддержки принятия решений (СППР) защиты окружающей среды, в основу которой положены представления о многокритериальных и многоатрибутных оценках качества природных систем и покрытых лесом земельных участков с использованием доза-эффект зависимостей, эколого-экономического анализа и эколого-экономической оптимизации, которые являются необходимым условием устойчивого развития природно-техногенных систем.

2. Разработана методика использования интегральных индексов для формирования многокритериальных оценок экологического состояния природной среды в районе металлургических предприятий. Сделан вывод о необходимости предварительной нормализации показателей с выполнением следующих условий: преобразование должно быть линейным, приведение должно быть к интервалу [О, 1], в результате приведения не должно остаться антикоррелированых показателей.

Данная методика позволяет перейти от начального спектра разнородных показателей в систему нормализованных и однотипных показателейинтегральных индексов, что значительным образом повышает точность дальнейшего ранжирования и кластеризации альтернатив. Таким образом, многокритериальные оценки и многоатрибутные данные о покрытых лесом земельных участках удается представить в виде единой таблицы нормализованных интегральных индексов.

3. Проведен анализ существующих методик и алгоритмов кластеризации, на основании которого выбраны алгоритмы, характеристики которых удовлетворяют требованиям задач группировки покрытых лесом участков по критерию качества природной среды в районе металлургических предприятий.

4. Разработана методика и алгоритмы для определения главного интегрального индекса, который необходим для решения задач ранжирования покрытых лесом земельных участков в районе металлургических комбинатов.

5. Разработаны методика и алгоритм анализа доза-эффект зависимостей, что необходимо для формирования лингвистического словаря оценок качества природной среды в районе металлургических комбинатов.

6. Разработан алгоритм, который предназначен для кластеризации покрытых лесом земельных участков с учетом притяжения кластеров к особым точкам доза-эффект зависимостей на основе метода k-средних. Алгоритм позволяет сгруппировать земельные участки в отдельные группы с одинаковым качеством природной среды.

7. Разработан агломеративный алгоритм, который предназначен для кластеризации покрытых лесом земельных участков с учетом притяжения кластеров к особым точкам доза-эффект зависимостей. Алгоритм позволяет на основании дендрограммы классов сгруппировать участки по критерию качества природной среды в отдельные группы, размеры которых приведены в соответствие с размерами зон экологического районирования, которые были получены в результате анализа доза-эффект зависимостей.

8. Разработана методика и алгоритмы расширения лингвистического словаря экологического районирования земельных участков в районе металлургических комбинатов. Методика и алгоритмы могут быть использованы в компьютерной автоматизированной системе оценки качества окружающей среды в районе металлургических производств (АСКОС МП) для автоматического увеличения количества термов лингвистического словаря экологического районирования.

9. Проанализирована возможность использования аэрокосмических изображений для экологического районирования покрытых лесом земельных участков и сделан вывод о том, что в состав компьютерной автоматизированной системы оценки качества окружающей среды в районе металлургических производств должен входить отдельный модуль, используемый для классификации и кластеризации аэрокосмических изображений исследуемой территории. Данный модуль необходим для экологического районирования пространственно-распределенных природных систем.

10. Разработана архитектура комплекса программных средств автоматизированной системы оценки качества окружающей природной среды в районе металлургических предприятий (АСКОС МП), которая позволяет в рамках удобного интерфейса и без специальных знаний как в области программирования, так и в специальных предметных областях математической экотоксикологии, экологического моделирования, теории классификации и кластеризации, а также обработки космических изображений, использовать разработанные в диссертации алгоритмы и программные средства для кластеризации, ранжирования, выбора и оценки качества природной среды покрытых лесом земельных участков в районе металлургических производств.

11. Разработано информационно-программное обеспечение модуля управления автоматизированной системой оценки качества окружающей среды в районе металлургических предприятий, которое позволяет проводить параллельные исследования табличных баз данных показателей качества природной среды вместе с анализом космических изображений территории вокруг металлургических предприятий, что дает возможность использовать результаты кластеризации и ранжирования земельных участков для целей экологического районирования территории.

12. Разработано информационно-программное обеспечение модуля кластеризации и ранжирования покрытых лесом земельных участков в районе металлургических предприятий. В модуле предусмотрена возможность кластеризации таблиц двух типов: таблиц доза-эффект зависимостей и таблиц стандартного описания лесных земельных участков.

На первом этапе анализа осуществляется группировка лесных участков в кластеры с различным качеством природной среды. При этом могут быть использованы, разработанные в диссертации алгоритмы, в работе которых учитывается притяжение кластеров к особым точкам доза-эффект зависимостей, что позволяет получать более объективные группировки и ранжирования земельных участков в районе металлургических производств.

На втором этапе используются таблицы стандартного описания лесных участков для получения дополнительной информации по сочетанию внутри кластеров древесных пород, полноты, запасу, бонитету и другим параметрам, входящим в таблицы стандартного описания.

13. На основании экспериментальных данных по доза-эффект зависимостям были рассчитаны интегральные характеристики дозы и эффекта в районе металлургического комбината «Печенганикель» на Кольском полуострове.

14. С помощью метода главных компонент был проведен анализ интегральных индексов эффекта, на основании которого была получена формула, интегрирующая отдельные интегральные индексы в суммарный интегральный индекс.

15. С использованием интегрального показателя дозы и суммарного интегрального индекса была получена интегральная доза-эффект зависимость для лесных массивов в районе металлургического комбината «Печенганикель», анализ которой позволил выделить пять зон различного экологического качества природной среды в районе комбината.

16. С помощью разработанного агломеративного алгоритма кластеризации покрытых лесом земельных участков с учетом притяжения кластеров к особым точкам доза-эффект зависимостей были построены дендрограммы расстояний в пространстве признаков для 12 лесных участков в районе комбината. Полученные дендрограммы позволили выделить эквивалентные по качеству природной среды группы земельных участков, которые затем были ранжированы по величине суммарного интегрального индекса.

17. Показано, что экологическое зонирование и оценка экологического качества покрытых лесом участков только по принадлежности этих участков к той или иной зоне промышленного загрязнения (дозы) является явно недостаточной. Необходимым условием правильного экологического зонирования является учет как можно более широкого спектра интегральных индексов, для последующего группового анализа которых наиболее эффективно использовать алгоритмы иерархической кластеризации.

18. С помощью разработанного алгоритма кластеризации покрытых лесом земельных участков с учетом притяжения кластеров к особым точкам доза-эффект зависимостей на основе метода k-средних была проведена кластеризация лесных участков в районе комбината. В качестве центров притяжения были использованы центры пяти экологических зон, найденные с помощью интегральной доза-эффект зависимости. Участки, находящиеся в одном и том же кластере, эквивалентны друг другу, что может быть учтено при проведении их стоимостной оценки.

19. Показано что, при проведении экологического зонирования лесных участков с целью их последующей стоимостной оценки, необходимо в первую очередь на основании доза-эффект зависимостей выделить экологические зоны, а затем выполнить кластеризацию участков с последующей привязкой полученных кластеров к экологическим зонам.

20. Разработана методика, которая позволяет распространить методы многокритериальных оценок качества окружающей среды на всю территорию исследуемого региона, основываясь на ограниченном числе дискретных данных. При этом получены наглядные визуализации распределения интегральных показателей качества окружающей среды по региону. Эти данные представляют значительный интерес для экологических СППР, результатом работы которых является выбор одного из альтернативных вариантов атмосферо-охранных решений или мероприятий.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своим научным руководителям — действительному члену (академику) Академии технологических наук РФ, профессору, доктору технических наук Мешалкину Валерию Павловичу и профессору, доктору физико-математических наук Бутусову Олегу Борисовичу за постоянную научную помощь, внимание и требовательность к выполнению научно исследовательской работы автора.