Інформаційна технологія автоматизованого екологічного управління станом природно-техногенної геосистеми в умовах ведення бойових дій

Abstract

Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування підвищенні рівня екологічної та техногенної безпеки на територіях природно-техногенних геосистем за рахунок впровадження інформаційної технології для систем автоматизованого адаптивного екологічного управління. У першому розділі дисертації проведено аналіз досліджень в сфері автоматизованого екологічного управління станом природно-техногенної геосистеми. За результатами аналізу визначено кількісні та якісні методи підвищення рівня інформаційного забезпечення процесів управління екологічною безпекою в умовах ведення бойових дій. На забезпечення необхідного рівня інформаційного забезпечення екологічної безпеки проведено постановку наукового завдання. Таким чином, в галузі автоматизованого управління природно-техногенною екосистемою існує нагальна потреба в отриманні додаткових ресурсів на забезпечення автоматизованого управління екологічною безпекою, яку можливо задовольнити за рахунок удосконалення моделей, алгоритмів і процедур ергатичної системи управління природно-техногенною геосистемою. Тому розробка інформаційної технології для управління станом природно-техногенної геосистеми із використанням експертно-моделюючої системи дозволяє підвищити рівень екологічної безпеки і є актуальним науковим завданням. У другому розділі дисертації розроблено алгоритми формування програмно апаратного комплексу для забезпечення автоматизованого управління станом природно техногенної геосистеми. Комплексне застосування математичного апарату експертних методів у галузі екологічного оцінювання дозволило побудувати нові процедури для ранжування загроз від впливу ведення БД на вектор екологічного стану навколишнього природного середовища. На основі визначення складу і структури чинників потоку воєнно-техногенного навантаження розроблено узагальнену причинно-наслідкову діаграму, що може бути основою для складання плану взаємопов'язаних заходів з автоматизованого управління станом військової природно-техногенної геосистеми. Це забезпечить комплексне вирішення задачі автоматизованого екологічного управління, поставленої в системі екологічного моніторингу бойових дій під час аналізу результатів моніторингу. У відповідності до сформованих згідно процедури векторів забруднення військової природно-техногенної геосистеми та розподілу забруднюючих речовин за військовими об’єктами районів ведення БД були сформовані набори датчиків первинної інформації для проведення вимірювань на відповідних військових об’єктах. У третьому розділі дисертації розроблено математичні моделі, що дозволяють розраховувати оптимальні плани оцінювання техногенного впливу озброєння і військової техніки на НПС за обмежень на загальну кількість вимірів з урахуванням вагових коефіцієнтів ЧВТН і пріоритетів територій в умовах “визначеності” та “невизначеності” з мінімізацією фінансових ресурсів на проведення досліджень. Проведено дослідження математичних моделей оптимального планування вимірів на території БД та отримані достатні, а в деяких випадках і необхідні умови існування розв’язків розглянутих задач. Розроблені алгоритми дозволяють знаходити оптимальні цілочислові плани проведення вимірів для різних випадків і знаходити цілочислові плани проведення вимірів для задач великої розмірності, що задовольняють умовам точності. На основі теорії двоїстості лінійного програмування отримані розрахункові співвідношення, що дозволяють знаходити компоненти нецілих числових оптимальних планів розглянутих задач. Отримані співвідношення дозволяють оцінити компоненти оптимального плану для заданого бюджету на моніторинг, розрахувати бюджет при обмеженні на зважену кількість вимірів та відсутності додаткових директивних вимог на кількість вимірів. На підставі теорії оптимальності Куна-Таккера розроблені співвідношення для визначення компонентів нецілочислового оптимального плану в умовах невизначеності для нелінійної цільової функції. Четвертий розділ дисертаційної роботи містить результати комп’ютерного моделювання стійкості ВПТГС. У роботі виявлено низку визначальних чинників: внутрішня неоднорідність властивостей компонентів геосистеми; рівень ієрархії елементів геосистеми, складові яких можуть виступати в якості індикаторів (метод екосистемної індикації стану природного середовища військового ТВБД); вторинні компоненти – рослинний покрив (первинна продуктивність екосистеми може виступати індикатором її стійкості) та ґрунти (можуть виступати індикатором депонуючих властивостей – техноємності ВПТГС). Математична модель для екосистемної індикації стану природного середовища ТВБД зводиться до: аналізу, пошуку та обґрунтування такого вектора екологічного стану ВПТГС, який забезпечує спостережуваність військової екосистеми в розумінні критеріїв спостережуваності з урахуванням можливостей реалізованості формування вектора спостережень Y(t) або Y(i)); побудова такого алгоритму обробки вектора спостережень Y(t) або Y(i), який забезпечує отримання оцінок елементів вектора екологічного стану; для оцінювання вектора екологічного стану використовується алгоритм спостерігача Вольтеррівських систем, який з математичної точки зору проведення оцінки вектора екологічного стану зводиться до вибору матриці зворотного зв’язку Н(t) або Н(і), такої, щоб виконувались умови. На основі проведених досліджень у п’ятому розділі дисертаційної роботи розроблено склад програмно-апаратного комплексу, який дозволяє забезпечити автоматизоване управління станом природно-техногенної геосистеми з використанням алгоритмів і моделей ресурснообмеженого експертно- аналітичного оцінювання впливу озброєння і військової техніки на екологічний стан навколишнього природного середовища на основі комплексного використання методів прийняття рішення в складних ситуаціях та математичного моделювання. Це дозволяє отримувати реальні плани проведення натурних польових вимірів з вищою достовірністю чим стандартний рівномірний розподіл, за рахунок раціонального розподілу вимірів шляхом експертно-аналітичного урахування властивостей чинників воєнно-техногенного навантаження та територій ведення бойових дій. Розроблений програмно-апаратний комплекс дозволяє не тільки підвищити достовірність вимірів за рахунок їх оптимального розподілу, але і зменшити кількість неінформативних вимірів. Проведене дисертаційне дослідження дозволило отримати наступні нові наукові результати: отримані результати дозволяють зменшити витрати ресурсів; вперше розроблено експертно-моделюючу систему для оцінки та прогнозування стану військової природно-техногенної геосистеми, що на відміну від існуючих дозволяє підвищити достовірність оцінки за рахунок комплексного раціонального розподілу вимірів із урахуванням екологічно-небезпечних властивостей чинників воєнно-техногенного навантаження та територій їх розповсюдження шляхом комплексного використання методів прийняття рішення в складних ситуаціях; удосконалено методику, яка комплексно обробляє результати вимірювань забруднення навколишнього природного середовища, враховує безпосередній уражаючий вплив воєнно-техногенної діяльності, що дозволяє покомпонентно оцінити зміну стану екологічних систем та врахувати дію ефекту депонування забруднень у складових навколишнього природного середовища; удосконалено математичні моделі стану екологічних систем об’єктів природно-техногенної геосистеми, що враховують уражаючий вплив заходів техногенної діяльності, відновлювальний (реабілітаційний) вплив природоохоронних заходів та дію ефекту накопичення забруднень у середовищі. На основі зазначених моделей було побудовано математичну модель оцінки та прогнозування впливу заходів техногенної діяльності на наземні екологічні системи ПТГС на основі спостерігача Льюінбергера; на основі запропонованої методики в системі комп’ютерної математики VenSim були розроблені імітаційні дослідницькі моделі. За допомогою зазначеного програмного забезпечення було проведено моделювання змін станів екосистем воєнно-техногенних об’єктів (із низькою і високою інтенсивністю техногенного навантаження) та вільних екологічних зон. Було отримано кількісні показники, що представляють оцінку впливу факторів техногенної діяльності на стан екосистем ПТГС. отримали подальший розвиток комплексні прогнозні оцінки змін індикаторів забруднення (стану) екологічних систем під дією факторів воєнно- техногенного навантаження, зміни погодно-кліматичних умов та зовнішнього антропогенного тиску. Ці результати можна використовувати як базову інформацію в системі автоматизованого управління станом природно-техногенної геосистеми для забезпечення його сталого розвитку. одержали подальший розвиток підходи до розробки еколого- інформаційних систем за рахунок застосування інформаційно-логічних моделей, що дозволяє використовувати їх, у якості систем підтримки прийняття рішень. The aim of the dissertation is the scientific justification of increasing the level of ecological and man-made safety in the territories of natural-man-made geosystems due to the introduction of information technology for systems of automated adaptive environmental management. In the first chapter of the dissertation, an analysis of research in the field of automated environmental management of the state of the natural and man-made geosystem is carried out. Based on the results of the analysis, quantitative and qualitative methods of increasing the level of information support of environmental security management processes in the conditions of hostilities were determined. A scientific task was set to ensure the necessary level of information provision of environmental safety. Thus, in the field of automated management of the natural and man-made ecosystem, there is an urgent need to obtain additional resources to ensure the automated management of environmental safety, which can be satisfied by improving models, algorithms and procedures of the energetic system of management of the natural and man-made geosystem. Therefore, the development of information technology for managing the state of the natural and man-made geosystem using an expert modeling system allows to increase the level of environmental safety and is an urgent scientific task. In the second chapter of the dissertation, algorithms for the formation of a software-hardware complex are developed to ensure automated management of the state of the naturally man-made geosystem. The complex application of the mathematical apparatus of expert methods in the field of environmental assessment made it possible to build new procedures for ranking threats from the impact of database management on the vector of the ecological state of the natural environment. Based on the determination of the composition and structure of the factors of the flow of military man-made load, a generalized cause and effect diagram was developed, which can be the basis for drawing up a plan of interrelated measures for the automated management of the state of the military natural man-made geosystem. This will provide a comprehensive solution to the task of automated environmental management, set in the system of environmental monitoring of hostilities during the analysis of monitoring results. In accordance with the pollution vectors of the military natural and man-made geosystem formed according to the procedure and the distribution of polluting substances by military facilities in the DB management areas, sets of sensors of primary information were formed for conducting measurements at the relevant military facilities. In the third chapter of the dissertation, mathematical models were developed that allow for the calculation of optimal plans for assessing the man-made impact of weapons and military equipment on the NPS under restrictions on the total number of measurements, taking into account the weighting coefficients of the CHVTN and the priorities of the territories in conditions of "certainty" and "uncertainty" with the minimization of financial resources for conducting research. A study of mathematical models of optimal planning of measurements on the territory of the database was conducted and sufficient, and in some cases, necessary conditions for the existence of solutions to the considered problems were obtained. The developed algorithms make it possible to find optimal integer measurement plans for various cases and to find integer measurement plans for large-dimensional problems that satisfy the accuracy conditions. On the basis of the theory of duality of linear programming, calculated relations are obtained that allow finding the components of non-integer numerical optimal plans of the considered problems. The obtained ratios make it possible to evaluate the components of the optimal plan for a given monitoring budget, to calculate the budget with a limit on the weighted number of measurements and the absence of additional directive requirements on the number of measurements. On the basis of the Kuhn-Tucker optimality theory, relations were developed for determining the components of a non- integer optimal plan under conditions of uncertainty for a nonlinear objective function. The fourth chapter of the dissertation contains the results of computer modeling of the stability of VPTGS. The work revealed a number of determining factors: internal heterogeneity of geosystem component properties; the level of the hierarchy of elements of the geosystem, the components of which can act as indicators (the method of ecosystem indication of the state of the natural environment of the military TVBD); secondary components are vegetation cover (the primary productivity of the ecosystem can act as an indicator of its sustainability) and soils (can act as an indicator of depositing properties - technocapacity of VPTGS). The mathematical model for the ecosystem indication of the state of the natural environment of the TVBD is reduced to: analysis, search and justification of such a vector of the ecological state of the VPTGS, which ensures the observability of the military ecosystem in the sense of the observability criteria, taking into account the feasibility of forming the vector of observations Y(t) or Y(i)); construction of such an algorithm for processing the vector of observations Y(t) or Y(i), which provides estimates of the elements of the environmental state vector; to estimate the ecological state vector, the algorithm of the observer of Volterra systems is used, which from the mathematical point of view of carrying out the assessment of the ecological state vector is reduced to the selection of the feedback matrix H(t) or H(i), such that the conditions are met. Based on the research conducted in the fifth chapter of the dissertation, the composition of the software and hardware complex was developed, which allows for automated management of the state of the natural and man-made geosystem using algorithms and models of resource-limited expert-analytical assessment of the impact of weapons and military equipment on the ecological state of the natural environment on based on the complex use of decision-making methods in complex situations and mathematical modeling. This makes it possible to obtain real plans for carrying out actual field measurements with higher reliability than standard uniform distribution, due to the rational distribution of measurements by expert-analytical consideration of the properties of factors of military-technogenic load and territories of hostilities. The developed software and hardware complex allows not only to increase the reliability of measurements due to their optimal distribution, but also to reduce the number of non-informative measurements. The conducted dissertation research made it possible to obtain the following new scientific results: - the obtained results make it possible to reduce the cost of resources for the first time, an expert modeling system was developed for the assessment and forecasting of the state of the military natural and man-made geosystem, which, unlike the existing ones, allows to increase the reliability of the assessment due to the complex rational distribution of measurements, taking into account the ecologically dangerous properties of the factors of military and man-made load and the territories of their distribution through a complex use of decision-making methods in difficult situations; improved methodology that comprehensively processes the results of environmental pollution measurements, takes into account the direct impact of military and man-made activities, which allows for a component-wise assessment of the change in the state of ecological systems and takes into account the effect of the deposition of pollutants in the components of the natural environment; improved mathematical models of the state of ecological systems of objects of the natural and man-made geosystem, which take into account the impressive impact of man-made activities, the restorative (rehabilitation) effect of nature protection measures and the effect of the effect of the accumulation of pollutants in the environment. On the basis of these models, a mathematical model of assessment and forecasting of the impact of man-made activities on terrestrial ecological systems of PTGS was built based on the Lewinberger observer; on the basis of the proposed methodology, simulation research models were developed in the computer mathematics system VenSim. With the help of the specified software, the simulation of changes in the states of the ecosystems of military- technological objects (with low and high intensity of man-made load) and free ecological zones was carried out. Quantitative indicators representing the assessment of the impact of technogenic factors on the state of PTGS ecosystems were obtained. comprehensive predictive assessments of changes in indicators of pollution (state) of ecological systems under the influence of military-technogenic load factors, changes in weather and climate conditions, and external anthropogenic pressure were further developed. These results can be used as basic information in the system of automated management of the state of the natural and man-made geosystem to ensure its sustainable development. - received further development of approaches to the development of ecological information systems due to the use of information and logical models, which allows their use as decision support systems.