Математическое моделирование здоровья населения с использованием геоинформационных технологий

В начале третьего тысячелетия главной проблемой экологического благополучия различных стран и народов становится оптимальное управление согласованием интересов экологической политики, охраны окружающей среды и здоровья человека, каждой отдельной личности. Растущее потребление товаров и услуг, стремление к получению максимальной прибыли зачастую сталкивается с экологическими проблемами и нанесением непоправимого ущерба окружающей среде и здоровью людей. В то же время, здоровье населения является одним из наиболее важных показателей благосостояния государства. Поэтому, на фоне общей тенденции к уменьшению средней продолжительности жизни населения Российской Федерации, разработка конкретных механизмов для реализации прав граждан на охрану здоровья имеет большое значение.

Важным средством преодоления несоответствия между все возрастающей значимостью аспекта здоровья населения и недостаточностью фактического учета его в планировании социально-экономических процессов является математическое моделирование здоровья как на индивидуальном, так и на общественном уровне.

Целью настоящей работы является создание математической модели жизненного цикла организма человека с учетом двух ключевых экологических факторов среды обитания для количественной оценки здоровья населения отдельных территорий по показателю ожидаемой продолжительности жизни (ОПЖ). В работе предпринята попытка объединить модельно-математические и модельно-популяционные исследования и провести содержательный анализ современных банков данных на примере г. Тула. Методика проведения такой оценки естественным образом базируется на применении современных геоинформационных технологий обработки информации.

В первой главе дается классификация определений понятия «здоровье» и аналитический обзор основных подходов к количественной оценке исследуемого объекта. Обзор завершает разработанная в начале 1990;х гг. В. Н. Новосельцевым концепция «естественной технологии организма», открывшая конструктивную возможность решения задачи математического моделирования физиологической системы организма человека. Одна из ключевых областей ее применения — это моделирование процессов старения и смерти организма, при котором состояние здоровья человека описывается как совокупность функционального состояния его жизненно-важных систем.

Дается общая постановка задачи исследования и формулируется методика количественной оценки здоровья населения по критерию продолжительности жизни с использованием математической модели жизненного цикла организма человека и геоинформационных технологий обработки информации.

Во второй главе формулируются предположения, используемые при математическом моделировании биосистемприводятся описание и исследование базовой математической модели В. Н. Новосельцева физиологического комплекса организма человека. Анализируются внутренние и внешние факторы старения организма, и предлагается математическая модель жизненного цикла организма человека с учетом двух ключевых экологических факторов старенияэкологического загрязнения атмосферного воздуха и питьевой воды.

В третьей главе ставится и решается задача количественной оценки здоровья населения г. Тула по критерию продолжительности жизни с помощью математической модели жизненного цикла организма человека. Задача заключается в нахождении ущерба здоровью, выраженного в потерянных годах потенциальной жизни, по входным экологическим показателям качества окружающей среды (экологическим факторам старения).

Также решается задача об оценке положительного эффекта от улучшения экологического качества атмосферного воздуха, выраженного в приросте ожидаемой продолжительности жизни.

В четвертой главе ставится и решается «обратная» задача об оценке качества атмосферного воздуха г. Тула за целевой период 2000;1 ый квартал 2004гг. по известным эколого-демографическим данным за исходный 1993— 1997гг. и изменению продолжительности жизни населения за эти периоды.

В пятой главе рассматривается методика экономической оценки ущерба, наносимого здоровью населению г. Тула вследствие экологически-обусловленных заболеваний, и приводится ее реализация для расчета экономического ущерба по результатам, полученным в третьей главе. Для перевода натуральных показателей ущерба здоровью населения в денежные используются данные о численности населения в каждом дискрете территории города и значение цены одного года потерянной жизни. В заключение, по результатам четвертого параграфа третьей главы рассчитывается экономический эффект от смоделированного улучшения экологического качества атмосферного воздуха г. Тула.

Основные выводы, научные и практические результаты работы:

1. Проведено исследование базовой математической модели организма человека, которое подтвердило предположение В. Н. Новосельцева о наличии у модели свойств, специфичных для биосистем, — гомеостаза.

2. Создана математическая модель жизненного цикла организма человека с учетом двух внешних факторов старения — экологического качества атмосферного воздуха и питьевой воды — как дальнейшее развитие базовой математической модели В. Н. Новосельцева.

3. Разработана методика количественной оценки здоровья населения отдельной территории по критерию продолжительности жизни на основе математической модели жизненного цикла организма человека и с использованием геоинформационных технологий. Предложена схема интегрирования методики в технологию принятия управленческих решений.

4. Поставлены и решены три задачи в системе «Человек-Среда Обитания» г. Тула: «прямая» (об оценке здоровья населения), «прогнозная» и «обратная» (об оценке качества среды обитания по состоянию здоровья населения). Результаты хорошо согласуются со статистическими данными.

5. Осуществлена экономическая оценка ущерба, наносимого здоровью жителей г. Тула вследствие экологически-обусловленных заболеваний, с использованием методики перевода натуральных показателей ущерба в денежные.

5.5. Выводы.

Экономическая оценка ущерба здоровью населению является наиболее спорным моментом в области исследования влияния внешних факторов среды обитания на человека. И хотя в теоретическом плане вопрос оценки стоимости человеческой жизни разработан, в практическом плане — имеет недостаточное применение. Это связано, прежде всего, как с существенными различиями рассмотренной методики с общепринятыми подходами по возмещению ущерба в порядке судебного производства, так и с экономическими реалиями [61].

Согласно представленной методике общий экономический эффект при уменьшении количества заболевших складывается из сэкономленных средств на оплату больничных и сэкономленных средств на лечение в стационаре и поликлинике. По результатам расчета на основе исходных данных г. Тула, потери городского бюджета в результате ущерба здоровью жителей составляют 610,74 млн руб. в год, или примерно 50,8 млн руб. в месяц.

На основе цены одного года потерянной жизни, а также с учетом численности населения и величины потерянных лет жизни в каждом географическом элементе территории г. Тула построена карта распределения социально-экономического ущерба (рис. 5.1). Согласно этим данным (см. также Приложение 2) потери городского бюджета вследствие экологически-обусловленных заболеваний достигают своих максимальных значений в Пролетарском (К-40, К-34) и Центральном районах (К-18), а также в районе Косой горы (К-1), что объясняется большими суммарными величинами потерянных лет жизни в этих районах.

По результатам прогнозной оценки ожидаемой продолжительности жизни (параграф 3.4) рассчитан экономический эффект от улучшения экологического качества атмосферного воздуха. Снижение концентраций наиболее распространенных соединений Си, Al, Fe и К в атмосферном воздухе до уровня нормы дает почти двукратное сокращение потерь городского бюджета. Это позволяет говорить о том, что эффективность подобного рода управленческих решений была достаточно высока.

Оценка абсолютной величины экономического эффекта управленческого решения по снижению концентраций соединений указанных металлов в атмосфере составляет 330,95 млн. руб/год. Наибольший порайонный экономический эффект достигается в Пролетарском (квадраты К-40, К-34, К-33) и Центральном (К-18) районах. Значительный вклад в картину вносит большая плотность населения в данных районах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Представлено описание и обоснование системной математической модели В. Н. Новосельцева, которая описывает физиологический комплекс организма человека как совокупность:

• четырех основных подсистем организма (система легких, сердечнососудистая система и система крови (рассматриваются совместно), система печени и система почек);

• трех основных организменных процессов (процесс жизнедеятельности, процесс баланса энергии и процесс баланса веществ).

Физиологические подсистемы в модели рассматриваются на двух уровнях — верхнем (содержит описания основных жизненных процессов организма) и нижнем (включает произвольные по сложности описания всех систем физиологического комплекса). Для описания процессов управляемого обмена веществ и энергии в данных системах на верхнем уровне использованы методы компартментального моделирования и аппарат теории управления.

2. Проведено исследование базовой математической модели физиологической системы организма человека с использованием методов качественного исследования динамических систем. Результаты исследования подтверждают, что математическая модель обладает свойствами, характерными для биологических структур — стационарным неравновесием (баланс притоков и оттоков) и гомеостазом.

3. Построена математическая модель жизненного цикла организма человека с учетом внутренних и двух внешних факторов старения — экологического загрязнения атмосферного воздуха и питьевой воды. Полученная математическая модель позволяет получить ожидаемую продолжительность жизни и оценить величину ущерба, наносимого здоровью человека факторами старения различного характера действия, одним показателем — величиной потерянных лет потенциальной жизни.

4. С помощью построенной математической модели жизненного цикла организма человека воспроизведены три типовых сценария жизненного цикла:

• «номинальный» жизненный цикл обусловлен воздействием внутренних факторов старения, продолжается в течение генетически предопределенной продолжительности жизни и заканчивается «смертью от старости» ;

• жизненный цикл в экологически-неблагоприятной среде обитания моделируется на основе «номинального» жизненного цикла путем добавления в модель математических описаний негативного влияния внешних факторов среды обитания — экологического загрязнения атмосферного воздуха и питьевой воды;

• и наконец, жизненный цикл в произвольных условиях обитания получается путем включения в блок внешних факторов всех остальных неучтенных внешних факторов старения (которые обуславливаются социальными, жилищно-коммунальными и другими условиями жизни). Предложено математическое описание неучтенных факторов старения в виде одного комплексного показателя, который определяется из условия равенства расчетной и реальной продолжительностей жизни.

5. Разработана структура безразмерных комплексных показателей загрязненности атмосферного воздуха и питьевой воды для использования их в качестве количественных характеристик внешних экологических факторов старения в математической модели жизненного цикла организма человека. Методика расчета комплексных показателей основана на санитарно-гигиеническом нормировании ингредиентных концентраций загрязняющих веществ с помощью значений предельно-допустимых концентраций.

6. Разработана методика количественной оценки здоровья населения с использованием геоинформационных технологий. Количественным критерием данной оценки является значение ожидаемой продолжительности жизни, рассчитанное для каждого географического элемента территории по математической модели жизненного цикла организма человека.

7. Предложена технология принятия управленческих решений с использованием методики количественной оценки здоровья населения. Она предусматривает разделение процесса принятия управленческих решений на прикладную и инвариантную относительно прикладной задачи части, что позволяет рассматривать методику как «черный ящик» и встраивать ее в любой геоинформационный проект как независимый подблок.

8. Спроектировано, разработано и протестировано программное обеспечение для расчета ожидаемой продолжительности жизни и величины потерянных лет потенциальной жизни по математической модели жизненного цикла организма человека. Для этого использовались современные средства и методы проектирования, разработки и тестирования программного обеспечения.

9. Поставлена и решена задача о количественной оценке здоровья населения г. Тула по критерию продолжительности жизни. На основе показателей загрязненности атмосферного воздуха и питьевой воды г. Тула подготовлены исходные данные для поставленной задачи. Проведен расчет продолжительности жизни населения г. Тула, построены тематические карты по входным и выходным данным. Осуществлено ранжирование территории города по проблематике «экология-здоровье», выявлены экстремальные проявления входных и выходных показателей, а также приведено решение задачи по определению прогнозной продолжительности жизни населения на примере г. Тула при некотором заданном улучшении экологической обстановки.

10.Результаты расчета комплексного показателя качества атмосферного воздуха г. Тула показывают наличие сильного загрязнения в Пролетарском районе, в районе Косой горы, в Центральном районе, в Мясново и в Зареченском районе. Максимальное значение показателя достигается в квадрате К-40, относящемся к Пролетарскому району (ул. Металлургов), где оно составляет 137,85% (здесь 100% принято за норму, а максимально возможная величина загрязнения равна 200%). Качество атмосферного воздуха по городу в значительной степени зависит от промышленных загрязнителей в результате деятельности предприятий, а также выбросов автотранспорта.

И.По результатам расчета комплексного показателя качества питьевой воды г. Тула установлено, что наибольшему загрязнению подвержена питьевая вода, подающаяся населению в южной части города — район Косой го-ры/Скуратово, где значение показателя достигает величины 124,91%. Качество питьевой воды определяется состоянием системы водоснабжения города, которое сильно различается в зависимости от района.

12.По результатам расчета ожидаемой продолжительности жизни для мужчин и женщин установлено, что средняя расчетная продолжительность жизни по городу равна 72 и 78,9 лет для мужчин и женщин соответственно. Таким образом, учитывая потенциальную (генетически предопределенную) продолжительность жизни — 80/90 лет для полов М/Ж, величина потерянных лет потенциальной жизни, обусловленная негативным влиянием загрязнения атмосферного воздуха и питьевой воды, составляет в среднем 8 лет для мужчин и 11,1 для женщин. Наибольший ущерб здоровью, выраженный в потерянных годах потенциальной жизни, наносится жителям Пролетарского района, Косой горы, Мясново и Центрального района.

13. Для каждого дискрета территории г. Тула определены величины, на которые расчетная продолжительность жизни превышает соответствующие статистические значения. Данная разница обуславливается вкладом целого ряда неучтенных внешних факторов старения, связанных с социально-экономическими, жилищно-коммунальными условиями жизни, а также с образом жизни. Все они представлены одним комплексным фактором старения, величина которого вычислена для обоих полов, исходя из условия равенства расчетной и статистической величин продолжительности жизни. Величина неучтенных внешних факторов старения имеет важное значение при решении, так называемых, обратных задач об оценке некоторых аспектов качества окружающей среды в зависимости от состояния здоровья населения.

14.Проведена социально-экономическая оценка ущерба, наносимого населению г. Тула вследствие экологически-обусловленных заболеваний. Общий экономический эффект при уменьшении количества заболевших складывается из сэкономленных средств на оплату больничных и сэкономленных средств на лечение в стационаре и поликлинике. Результаты расчета по исходным данным на примере г. Тула показали, что потери городского бюджета в результате ущерба здоровью жителей составляют 610,74 млн руб. в год, или примерно 50,8 млн руб. в месяц. Эта величина является также оценкой экономического эффекта управленческих решений, направленных на улучшение экологической ситуации в г. Тула до уровня нормы. Территориальные величины денежных потерь городского бюджета достигают своих максимальных значений в Пролетарском и Центральном районах, а также в районе Косой горы, что объясняется высокой плотностью населения и большими суммарными величинами потерянных лет потенциальной жизни в этих районах.

15.Поставлена и решена задача о прогнозной оценке продолжительности жизни населения. Задача поставлена таким образом, чтобы оценить положительный эффект от улучшения экологического качества атмосферного воздуха и выразить его в увеличении лет ожидаемой продолжительности жизни. Исходя из результатов анализа структуры экологического загрязнения атмосферного воздуха г. Тула, выделены основные вещества-загрязнители — это соединения металлов Си (32%), А1 (27%), Fe (22%) и К (10%), суммарная доля которых в общем загрязнении составляет 91%. На основе этого, прогнозные данные о загрязнении атмосферного воздуха были сформированы по исходным так, чтобы они отражали снижение концентраций соединений указанных металлов до уровня нормы (по значениям ПДК).

16.Расчет прогнозного значения показателя качества атмосферного воздуха Ri показал существенное улучшение экологической обстановки по сравнению с исходным значением — с 111,09% до 101,91%. В то же время, прогнозные значения ожидаемой продолжительности жизни увеличились по сравнению с исходными на 3,16 лет для мужчин и на 5,4 года для женщин. На основе прогнозных и исходных величин ожидаемой продолжительности жизни мужчин и женщин построено распределение прогнозируемого прироста продолжительности жизни по территории г. Тула. Главным результатом решения задачи является суммарное значение 2 337 834 года общего прироста продолжительности жизни населения г. Тула в ответ на улучшение экологического качества атмосферного воздуха. С учетом плотности населения величина общего прироста продолжительности жизни достигает своих максимальных значений в дискретах К-40 (Пролетарский район) и К-18 (Центральный район), где она составляет 637 040 и 358 956 лет соответственно.

17. Определена величина экономического эффекта от улучшения экологического качества атмосферного воздуха. Снижение концентраций наиболее распространенных соединений Си, Al, Fe и К в атмосферном воздухе до уровня нормы дает почти двукратное сокращение потерь городского бюджета. Это позволяет говорить о том, что эффективность подобного рода управленческих решений достаточно высока. Оценка абсолютной величины экономического эффекта управленческого решения по снижению концентраций соединений указанных металлов в атмосфере составляет 330,95 млн руб. в год. Наибольший порайонный экономический эффект достигается в Пролетарском (квадраты К-40, К-34, К-33) и Центральном (К-18) районах. Значительный вклад в картину вносит большая плотность населения в данных районах.

18.Поставлена и решена обратная задача об оценке качества среды обитания по состоянию здоровья населения г. Тула. В рамках задачи получена количественная оценка качества атмосферного воздуха за период 2000—1Ь1И квартал 2004гг., основанная на пространственно-ориентированных данных о смертности населения в г. Тула и экологическом загрязнении атмосферного воздуха за период 1993;1997гг., а также при условии, что показатели качества питьевой воды и численные величины других факторов внешней среды существенно не менялись.

19. По результатам расчета показателя качества атмосферного воздуха за период 2000;1ыи квартал 2004гг. можно сделать вывод, что экологическая ситуация с атмосферным воздухом за период 2000;1Ь1И квартал 2004гг. в некоторой степени улучшилась по сравнению с 1993;1997гг. Среднее значение комплексного показателя качества атмосферного воздуха уменьшилось с 111,09% до 110,52% в среднем по городу. Такой результат непосредственно вытекает из того, что данные о средней статистической продолжительности жизни мужчин и женщин за период 2000;1ыи квартал 2004гг. выглядят в целом «оптимистичней», чем за предыдущий период 1993;1997гг. Так мужчины стали жить в среднем 61,7 лет по сравнению с 57,07 годами, а женщины 74,33 года по сравнению с 68 годами за указанные периоды.