Экспертная система поддержки принятия решений в интеллектуальной системе экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона

Обеспечить устойчивое развитие общества невозможно без стабильного состояния природной среды. Атмосферный воздух является необходимой частью среды существования и оказывает существенное влияние на здоровье человека. Количество воздуха, проходящего в сутки через легкие человека без всякой предварительной очистки, составляет 13−15 килограммов, что в 6−7 раз превышает количество потребляемой в пищу и для питья воды. Эти цифры указывают на необходимость контроля качества воздушной среды как среды обитания человека. В последние годы наблюдается снижение качества атмосферного воздуха, увлечение парникового эффекта в атмосфере. Особенно важно это проблема становится в современных городах, степень загрязненности воздуха в которых автомобильным транспортом и промышленности может быть очень высокой. Поэтому экологический мониторинг состояния атмосферного воздуха приобретает все более актуальное значение.

Город Новомосковск Тульской области представляет собой территориально-производственный комплекс, где очень развита химическая промышленность (ОАО «Новомосковская акционерная компания «Азот» «, ООО «Проктер энд Гэмбл — Новомосковск», ООО «Кнауф Гипс Новомосковск» и др.), присутствует большое количество автотранспортных средств. На химических предприятиях города имеется достаточно большое количество цехов (производство аммиака, хлора, минеральных удобрений, детергентов и т. д.), в той или иной степени осуществляющих газовые выбросы в атмосферу. Однако, до сих пор вопрос о вкладе различных источников выбросов при формировании высокого уровня загрязнения атмосферного воздуха по городу и району в целом недостаточно изучен. Настораживающая экологическая ситуация в атмосфере города сложилась в значительной мере из-за неполного учета экологических информации. Кроме того, не смотря на то, что производства в настоящее время находятся в относительно в хорошем состоянии по части выбросов и в технологическом плане работают удовлетворительно, однако ситуация в окружающей предприятие и город атмосфере в основном слабо коррелированна с работой как отдельных цехов и протекающих в них химико-технологических процессах, так и производственных объединений в целом. Такую систему можно охарактеризовать как систему, характеризующуюся неполнотой информации. В тоже время необходимо определить направление совершенствованиякак отдельных химических технологий, так и химико-технологических процессов указанных предприятий, ориентируясь на системы мониторинга и управления^ что требует глубокого научного анализа, создания: необходимого количества станций наблюдения с обозначением их функций и, что особенно важно, иметь возможность достоверного прогноза для принятия управленческих решений.

За последние 5 лет лабораторные исследования загрязнений проводились по следующим показателям: азота диоксид, азота оксид, фенол, формальдегид, аммиак, серы диоксид, углерода оксид, взвешенные вещества. По результатам лабораторных исследований содержание исследуемых химических веществв атмосферном воздухе населенных мест по максимально разовым концентрациям практически не превышает ПДК. Службой Роспотребнадзора проводится ежеквартальная оценка качества окружающей среды в 6 районах, города (центральный микрорайон, пос. Огнеупорного завода, пос. Гипсового комбината, Новомосковск-2, Вахрушевский микрорайон, Северный микрорайон) по 7 показателям. В 2009 году были отмечены превышения содержания углерода оксида в атмосферном воздухе Вахрушевского и Центрального микрорайонов в 1,4−1,7 ПДК и составляли 7,0−8,5 мг/куб.м. при норме 5 мгкуб.м.- по формальдегиду в .1,1−1,2 ПДК и составляли 0,038−0,043-мг/куб.м. при норме 0.035 мг/куб.м.

Большой объем данных наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, необходимость их широкого использования в природоохранной деятельности организаций как муниципального, так регионального и общегосударственного масштабов требуют проведения автоматизированной обработки результа-. тов наблюдения за состоянием загрязнения атмосферного воздуха. На региональном и на муниципальном уровнях необходимость систематических наблюдений за загрязнением воздушной среды считается одной из важнейших задач рационального природопользования. В этих случаях мониторинг атмосферного воздуха рассматривается как интеллектуальная информационная система, котораяслужит основой для принятия экологически значимых управленческих решений, направленных на улучшение качества среды обитания и на уменьшение вреда, наносимого биоте и абиотической составляющей экосистемы. Эффективность интеллектуальной системы экологического мониторинга во многом определяется способностью системы анализа экологической информации точно идентифицировать и прогнозировать экологическую ситуацию и сгенерировать рекомендации и альтернативные решения по снижению их влияния или их устранению.

Существующая в настоящее время система контроля качества атмосферного воздуха в г. Новомосковске не вполне отвечает современным требованиям, так как научно не обоснован перечень контролируемых ингредиентов, а также недостаточна эффективность проводимых мероприятий по снижению выбросов' со стороны химических предприятий в атмосферный воздух. Исходя из выше сказанного, исследование состояния атмосферного воздуха, создание научно-обоснованной интеллектуальной системы мониторинга атмосферного воздуха и разработка методов эффективного контроля и повышения его качества на территории муниципального образования является актуальной проблемой. Современные комплексы для экологического мониторинга должны содержать средства сбора информации, ее обработки, систематизации, анализа, оценки, интерпретации, прогноза дальнейшего развития и средства поддержки принятия решений в реальном времени, т. е. доведение актуальной информации до органов муниципального и регионального управления.

Учет валовых выбросов от автотранспорта входит в сферу деятельности служб экологического надзора. Работа по разработке проекта границ и организации санитарно-защитных зон является обязанностью самих предприятий и организаций.

Результаты исследований по валовым выбросам крупных предприятий химической технологии и других промышленных предприятий, расположенных на территории г. Новомосковска Тульской области, основных контролируемых вредных веществ в атмосферу за последние годы приведен в Таблице 1.

Таблица 1.

Валовый выброс вредных веществ в атмосферу от стационарных источников за.

2005 — 2009 г. г. (тонн в год).

Наименование объекта 2005 г 2006 г 2007 г 2008г 2009 г.

НАК «Азот», 10 938,5 10 004,1 9807,8 9280,5 11 901,7.

ОАО' «Новомосковская ГРЭС» 2255,1 5844 3011,5 2947,3* 1020,6.

ЗАО «НЗКМ — Центргаз» 276,6 178,7 127,4 132,7 121,5.

ОАО «КНАУФ — ГИПС-Новомосковск» 222 406- 315,4 292,3 211,5.

ОАО «Поликонт» 47,8 32,9 53,5 40,2- 40,0.

ООО «Проктер энд Гэмбл» 140,5 111,9 259,2 263,4 216,1.

ОАО «Новомосковскогне- 165,4 190,6 354,7 335,5 332,2 упор».

ООО «Оргсинтез». 11Д 62,4 22,0 9,4 5,7.

ГУДРСП «Новомосковскав- 168,4 210,3 210,3 305,3 215,0 тодор».

ЗАО «Мельничный Комби- 44,2 44,2 44,4 40,0 39,0 нат».

ООО «Аэрозоль-Новомосковск» 251,3 221,4 251,3 250,4 251,9.

ОАО «НАРЗ» 13,0 10,6- 9,0 8,8 8,0.

ОАО «Сервис — ЖБИ» 7,47 6,2 15,2 15,9 12,2.

ВСЕГО: 15 041,4 17 323,3 14 481,7 13 921,7 14 363,32.

В настоящее время 4 предприятия имеют утвержденные проекты Сани-тарно-защитных зон (СЗЗ): ОАО НАК «АЗОТ», ОАО «Новомосковская ГРЭС», ООО «Аэрозоль* Новомосковск», ООО «Кнауф-Гипс Новомосковск», 3 предприятия проводят работы по разработке проекта границ СЗЗ: ОАО «Новомос-ковскогнеупор», ООО «Полипласт Новомосковск и ООО «Оргсинтез» со сроком исполнения 2009 г.-2010г. До окончания разработки проектов СЗЗ не представляется возможным сделать вывод о возможном обеспечении санитарно-защитных разрывов от промышленных предприятий до жилой застройки.

В 2009 году отмечалось увеличение валовых выбросов в атмосферный воздух на ОАО НАК «Азот», ООО «Аэрозоль Новомосковск» за счет увеличения объемов промышленного производства.

На ОАО НГРЭС в 2009 году отмечалось уменьшение валовых выбросов в атмосферный воздух в связи с уменьшением объема угольного топлива и увеличением использования природного газа, на ЗАО «НЗКМ-Центргаз», ОАО «Кнауф Гипс-Новомосковск», ГУДРСП «Новомосковскавтодор» за счет уменьшения объемов производства.

В последние годы в муниципальном образовании резко возросло количество автотранспортных средств. По данным ОГИБДД УВД Новомосковского района количество автотранспорта за последние 10 лет увеличилось с 20 000 до 42 505 единиц. По состоянии на 01.01.10 г. в г. Новомосковске и районе насчиI тывается 42 505 единиц автотранспорта, в том числе легковых автомобилей -31 862 единица, грузовых автомобилей — 3686 единица, других транспортных средств — 6957 единиц.

Как указывалось в ежегодном муниципальном докладе Территориального отдела управления федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Тульской области в Новомосковском районе, городе Донском, Кимовском и Узловском районах «О санитарно — эпидемиологической обстановке и защите прав потребителей в муниципальном образовании город Новомосковск в 2009 году», в целях обеспечения более эффективного производственного контроля за выбросами вредных загрязняющих веществ в атмосферу предприятиями, расположенными на территории муниципального образования, координации деятельности в области экологической и промышленной безопасности, построении системы устойчивого развития необходим перевод имеющихся у промпредприятий постов производственного контроля в автоматический режим с заведением информации в сеть муниципальной службы АСК «Атмосфера».

Анализ современного состояния автоматизированной системы контроля атмосферного воздуха г. Новомосковска позволяет сделать вывод о том, что наблюдается:

— старение существующей системы с точки зрения аппаратных и программных средств;

— ее несовершенство с точки зрения-количества и размещения постов наблюдения;

— низкая пропускная способность передачи данных от поста контроля в Центр Обработки Информации;

— отсутствие средства поддержки принятия решений в реальном времени, для управления экологической ситуацией в соответствии с нормами и законами РФ.

Существующая в настоящее время система контроля качества атмосферного воздуха в г. Новомосковске не вполне отвечает современным требованиям, так как научно необоснован перечень контролируемых ингредиентов, а также недостаточна эффективность проводимых мероприятий по снижению выбросов в атмосферный воздух. Исходя из выше сказанного, исследование состояния атмосферного воздуха, создание научно-обоснованной интеллектуальной системы мониторинга атмосферного воздуха и разработка методов эффективного контроля и повышения его качества на территории муниципального образования является актуальной проблемой. Современные комплексы для экологического мониторинга должны содержать средства сбора информации, ее обработки, систематизации, анализа, оценки, интерпретации, прогноза дальнейшего развития и средства поддержки принятия решений в реальном времени, т. е. доведение актуальной информации до органов муниципального и регионального управления.

Таким образом, разработка экспертной системы поддержки принятия решений направленных на снижение концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в условиях неопределенности является актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Экология и природные ресурсы России (2002 — 2010 годы)», ФЦП «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года», ФЦП «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009;2013 годы)» и «Областной целевой программе экология и природные ресурсы Тульской области на 2007 — 2011 годы».

Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованного метода построения интеллектуальной автоматизированной системы мониторинга атмосферного воздуха и экспертной системы поддержки принятия эффективных решений" в реальном времени по управлению экологической ситуацией в современном промышленном городе в условиях неопределенности и недостаточности информации.

Для осуществления поставленной цели в работе необходимо сделать следующее:

Провести анализ состояния атмосферного воздуха г. Новомосковска, определить климатологические и производственные аспекты распространения примесей в атмосфере, ранжировать источники загрязнения и определить приоритетный перечень ингредиентов, подлежащих контролю.

Систематизировать многолетнюю информацию и провести анализ современного состояния системы мониторинга, определить основные направления деятельности по повышению качества атмосферного воздуха.

Провести исследование методов устранения неопределенности экологической информации.

Разработать интеллектуальную систему мониторинга атмосферного воз! духа, которая должна решать следующие подзадачи:

Задача оценки свойств и состояний атмосферного воздуха на основе поступающей в режиме мониторинга информации;

Задача поддержки принятия управленческих решений в реальном времени в условиях неопределенности.

Обеспечить удаленный доступ соответствующих ЛПР, для получения-ак-туальной информации о состоянии атмосферного воздуха и принятия оперативных решений.

Выводы по четвертой главе:

1. Подробно описан и проанализирован объект исследования — АСК «АТМОСФЕРА» г. Новомосковска Тульской области как города с большим количеством вредных и опасных предприятий химической технологии, активно загрязняющих атмосферный воздух.

2. Дано научное обоснование построения ЭСППР, произведены исследо вания, подтверждающие правильность выбора БСД как метода построения ЭСППР, который позволяет ей эффективно функционировать в условиях неопределенности.

3. Описан пример практической реализации разработанной ЭСППР.

4. В результате использования ЭСППР* РВ стало возможно прогнозировать вероятное состояния атмосферного воздуха в городе для контроля за работоспособностью постов, выявлять химическое предприятиенаиболее вероятный источник загрязнения атмосферного воздуха в промышленном регионе, получать информацию (в графическом виде) для более точного принятия решения в реальном времени, (само решение из заранее определенных принимается JJLL1P с соответствующими полномочиями).

5. С помощью разработанной ЭСППР РВ стало возможно публиковать необходимую информацию для принятия решения ЛПР в Интернет, что, несомненно, является процессом эффективной доставки информации конечным пользователям.

6. Сделаны выводы о применимости разработанных подходов к решению аналогичных задач по созданию подобных систем мониторинга.

Заключение

.

Полученные в диссертации научные и практические результаты имеют важное народнохозяйственное значение для автоматизации процессов управления экологической ситуацией на муниципальном уровне в городе Новомосковске Тульской области, в непосредственной близости от которого расположено большое количество предприятий химической технологии, включающих в свой состав такие вредные и опасные производства как аммиачное, хлорное, производство детергентов, производство минеральных удобрений и т. п. Получили дальнейшее развитие теоретическая и методическая основы для разработки систем информационной поддержки принятия эффективных решений по управлению экологической безопасностью города.

В результате проведенного системного анализа существующих разработок в области автоматизированного экологического мониторинга был сделан вывод об актуальности разработки подобных систем, а решение задач экологического мониторинга является важной и актуальной задачей, и на сегодняшний день невозможно без применения современных информационных и компьютерных технологий. На основании проведенного анализа был сделан вывод, что построение интеллектуальных автоматизированных систем экологического мониторинга (ИАСЭМ) является целесообразным в совокупности с применением новых информационных технологий удаленного доступа в ИАСЭМ атмосферного воздуха. Был сделан научно обоснованный вывод о том, что современные АСЭМ любого уровня (муниципального, регионального и т. д.) относятся к классу сложных систем. Были определены основные проблемы, которые возникают или могут возникнуть в дальнейшем при разработке интеллектуальных АСЭМ атмосферного воздуха.

Исходя из выявленных проблем, для решения поставленных задач, была разработана структура муниципальной ИАСЭМ атмосферного воздуха, позволяющая организовать принятие управленческих решений по приведению экологической ситуации в соответствие с нормами и законами РФ, с использованием удаленного доступа к ее информационным ресурсам через Интернет в реальном времени.

Так же были проанализированы возможные способы. построения ЭС и выбраны, наиболее подходящие из них для использования в составе ИАСЭМ. Приведено теоретическое обоснование изменения* структуры существующей ИАСЭМ: В структуру ИСЭМ введены изменения (добавлена ЭСППР), отличающие ее от существующих, подобных ей систем. Пользователи разработанной системы могут теперь находиться территориально удаленно от нее. Основное требование при этом — наличие у них доступа в Интернет. Взаимодействие пользователей с системой происходит через web-интерфейс, а ЛПР могут принимать оперативные решения в реальном времени.

Приведено «научно-техническое обоснование выбора инструментального средства для разработки, ЭС поддержки принятия* решений — Hugin Expert, которое обладает всем необходимым для построения ЭСППР в ИАСЭМ атмосферного воздуха в местах с наличием большого числа предприятий химической технологии, а также других промышленных производств и автотранспортных предприятий.

Система Hugin Expert позволяет создавать системы поддержки принятия решений в условиях неопределенности на основе моделей" проблемной области. Система ориентирована на построение моделей на основе теории сетей Байеса и диаграмм влияния. Систему можно использовать для. создания экспертных систем в самых различных проблемных областях, в том числе и для построения систем поддержки принятия экологических решений' не только атмосферного воздуха, но и промышленных стоков, например. Современные программные средства, такие как Hugin обеспечивают инструментарий для построения БСД, а также возможность использования БСД для введения новых свидетельств (фактов) и получения решения (вывода) за счёт пересчёта вероятностей во всех вершинах, соответствующих этим свидетельствам (фактам).

Дано научное обоснование построения ЭСППР, проведены исследования среди ЭС, подтверждающие правильность выбора БСД как метода построения.

ЭСППР, который позволяет ей эффективно функционировать в условиях неопределенности и приведен пример практической реализации разработанной ЭСППР РВ в г. Новомосковске Тульской области. В результате использования ЭСППР РВ стало возможно прогнозировать вероятное состояния атмосферного воздуха в городе для контроля за работоспособностью постов, выявлять химическое предприятие — наиболее вероятный источник загрязнения атмосферного воздуха в промышленном регионе, получать информацию (в графическом виде) I для более точного принятия решения в реальном времени, (само решение из заранее определенных принимается ЛПР с соответствующими полномочиями).

С помощью разработанной ЭСППР РВ стало возможно публиковать необходимую информацию для принятия решения ЛПР в Интернет, что, несомненно, является процессом эффективной доставки информации конечным пользователям.

Сделаны выводы о применимости разработанных подходов к решению аналогичных задач по созданию подобных систем мониторинга.