Размещено на http://www.allbest.ru/

Український науково-дослідний інститут екологічних проблем

АВТОРЕФЕРАТ

з теми: «Система технічного забезпечення моніторингу навколишнього середовища»

Спеціальність 21.06.01 - Екологічна безпека

Варламов Євгеній Миколайович

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті екологічних проблем Міністерства охорони навколишнього природного середовища України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

Квасов Володимир Андрійович,

Український науково-дослідний інститут екологічних проблем Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, старший науковий співробітник лабораторії контролю якості вод

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Лисиченко Георгій Віталійович,

Інститут геохімії навколишнього природного середовища НАН і МНС України, м. Київ,

завідувач відділом проблем екологічної безпеки

кандидат технічних наук, доцент

Пасхін Сергій Олександрович,

Харківський університет повітряних сил, доцент

Провідна організація: Міжгалузевий науково-технічний центр “Укриття” НАН України, м. Чорнобиль

Захист відбудеться 18.03.2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.64.812.01 в Українському науково-дослідному інституті екологічних проблем за адресою: 61166, м. Харків, вул.Бакуліна,6.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського науково-дослідного інституту екологічних проблем (61166, м. Харків, вул.Бакуліна,6).

Автореферат розісланий 16.02.2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Жуковський Т.Ф.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Державний моніторинг навколишнього природного середовища (НПС) здійснюється різними відомствами відповідно до “Положення про Державну систему моніторингу довкілля (ДСМД)”, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України № 391 від 30.03.98 р. і є одним з найважливіших державних завдань у галузі охорони природних ресурсів.

ДСМД є складною системою, яка створена на базі існуючих підсистем та мереж відомчого підпорядкування. Відомства - суб'єкти ДСМД створювали свої системи без врахування вимог до єдиної системи. Тому просте поєднання таких систем не може утворити ефективної загальнодержавної системи, що функціонує за єдиними принципами та відповідає загальним вимогам, як до якості (точності, вірогідності й оперативності), так і за регламентом обміну даними. Забезпечення функціонування існуючих фрагментів ДСМД, як єдиної системи, є складною організаційною та науково технічною проблемою.

Серед комплексу заходів, які визначають умови функціонування цієї системи, найголовнішим є технічне забезпечення, загальні принципи якого знайшли відображення в теорії складних систем і потребують подальшого розвитку. технічний моніторинг навколишній середовища

Про необхідність підвищення ефективності функціонування і технічного переоснащення ДСМД засобами вимірювальної техніки (ЗВТ) зазначено в п. 6 указу Президента України „Про рішення ради національної безпеки і оборони України" від 11 листопаду 2002р. „Про стан техногенної та природної безпеки в Україні” від 4 лютого 2003 р. № 76/2003.

Тому вирішення проблем технічного забезпечення ДСМД є актуальним.

У науково-технічній літературі до останнього часу практично не приділялося достатньої уваги питанням аналізу ефективності функціонування існуючого технічного забезпечення систем таких як ДСМД, оптимізації його роботи та обґрунтуванню потреб щодо загального переоснащення системи.

Обраний напрямок досліджень про стан і шляхи модернізації технічного забезпечення ДСМД потребує застосування комплексного підходу, обґрунтування шляхів переходу на сучасні інформаційні технології, нові аналітичні засоби вимірювання та системи оперативного зв'язку. Впровадження такої стратегії сприятиме підвищенню рівня достовірності моніторингових даних, оперативності їх отримання та обробки, обґрунтованості заходів реагування при вирішенні задач екологічної безпеки в Україні

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційні дослідження виконані у відповідності до Постанови Верховної Ради України від 20 лютого 2003 р. № 565-IV “Про рекомендації парламентських слухань щодо дотримання вимог природоохоронного законодавства в Україні”.

Дисертаційна робота пов'язана з дослідженнями, які виконувались під керівництвом та за безпосередньою участю автора дисертації, у відповідності до бюджетної програми Мінприроди "Моніторинг навколишнього природного середовища, створення загальнодержавних систем і банків екологічної інформації”(КЕКВ 2401210): у 1996-1998 р.р. “Створення засобів контролю якості вод” № д.р. 0197U009506; у 2001- 2002 р.р. розробка нормативного документу (НД) “Методичні рекомендації з підготовки регіональних і загальнодержавної програм моніторингу навколишнього середовища” № д.р.0201U005967; розробка НД “Методичні вказівки по створенню системо утворюючих компонентів державної системи моніторингу навколишнього середовища” № д.р.0201U001146; у 2003-2004р.р. “Створення банку даних приладового та методичного забезпечення мережі спостережень Мінприроди для їх багатоцільового колективного користування” № д.р.0102U005089, “Розробка Концепції і державної Програми моніторингу навколишнього природного середовища”, № д.р.0103U008533, та ряд інших.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка напрямків, методів та принципів вдосконалення функціонування ДСМД в частині підсистеми технічного забезпечення.

Для досягнення визначеної мети поставлені та вирішені такі задачі досліджень:

- оцінка стану в Україні технічного забезпечення системи моніторингу НПС та оптимізація шляхів її функціонування;

- розробка пропозицій щодо модернізації ДСМД в частині технічного забезпечення для підвищення ефективності її функціонування та вирішення задач управління екологічною безпекою, в тому числі у надзвичайних ситуаціях;

- розробка методів та алгоритмів оптимізації технічного забезпечення ДСМД на різних рівнях функціонування;

- оцінка та розробка пропозицій по вдосконаленню нормативної бази технічного забезпечення ДСМД.

Об'єкт дослідження - існуюча в Україні система моніторингу довкілля.

Предмет дослідження - технічне забезпечення та комплекси засобів вимірювальної техніки ДСМД.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі були використані:

- системний аналіз щодо функціонування діючої системи моніторингу НПС, її розвитку в частині створення підсистеми технічного забезпечення;

- математичне моделювання щодо оптимізації застосування комплексів ЗВТ, в тому числі при різних режимах функціонування ДСМД;

- теорія імовірності та математичної статистики для оцінки ефективності функціонування ДСМД.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше науково обґрунтовані вимоги до підсистеми технічного забезпечення ДСМД, принципи її створення, задачі та зміст ;

- виконано оптимізацію структури підсистеми технічного забезпечення ДСМД, що дозволяє підвищити оперативність прийняття управлінських рішень та поліпшити ефективність роботи ДСМД на усіх рівнях;

- вперше розроблено методи оптимізації вибору та використання комплексів ЗВТ для ДСМД з урахуванням можливостей сучасних глобальних інформаційних мереж;

- вдосконалено методологічний підхід визначення ефективності функціонування ДСМД від впровадження запропонованої підсистеми технічного забезпечення.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено підсистему технічного забезпечення ДСМД та структуру її управління, які запропоновано для практичного використання.

Розроблено алгоритми оптимізації ЗВТ, які використані при підготовці рекомендацій з технічного переоснащення мереж транскордонного моніторингу басейнів рік Дніпра і Прип'яті в рамках міжнародних проектів. Ці алгоритми також запропоновано для використання суб'єктами ДСМД при підготовці планів технічної модернізації власних мереж спостереження.

На основі експертно-аналітичної оцінки стану існуючої системи моніторингу НПС вперше розроблені із застосуванням ГІС ArcView та впроваджені в Мінприроді бази даних оснащеності мереж спостережень Мінприроди “Атмосфера” і “Гідросфера” (акт впровадження № 392/20-8 від 20.01.2005 р.). Програмно - інформаційний комплекс цих баз дозволяє оцінювати сучасний стан та оптимізувати застосування ЗВТ мереж спостережень НПС і приймати своєчасні управлінські рішення в тому числі для оперативного реагування в штатних та надзвичайних ситуаціях і підвищення рівня екологічної безпеки.

Матеріали дисертаційної роботи використані при розробці Концепції і Державної програми моніторингу навколишнього природного середовища (акт впровадження № 392/20-8 від 20.01.2005 р.). Концепція схвалена Розпорядженням Кабінету Міністрів України № 992-р від 31.12.04 р.

Розроблені та впроваджені в діяльність міністерств-суб'єктів ДСМД нормативно-методичні документи, які використані при розробці міжнародної програми транскордонного моніторингу басейну р. Дніпро та регіональних програм моніторингу НПС ряду областей (акт впровадження від 14.02.04).

Бази даних щодо технічного забезпечення моніторингу НПС впроваджено в Інституті геохімії НАН та МНС України при розробці державних науково-технічних програм для забезпечення екологічної безпеки у сфері паливно-енергетичного комплексу (шифр програм: КПКВ ДБ-11013000, КФКВ-0483; акт впровадження від 21.12.04).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці нових методологічних підходів до технічного забезпечення систем моніторингу НПС, у визначенні завдань, структури та функцій окремих видів технічного забезпечення, в розробці структури управління технічним забезпеченням ДСМД, у розв'язанні задачі оптимізації щодо комплексів ЗВТ, в аналізі нормативного забезпечення ЗВТ, у розробці і впровадженні баз даних з питань оснащення мереж моніторингу НПС, у вдосконалені методологічного підходу щодо оцінки ефективності функціонування ДСМД.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень, доповідалися на 14 науково-практичних всеукраїнських та міжнародних конференціях, зокрема: “Екологія й здоров'я людини. Охорона водного й повітряного басейнів. Утилізація відходів” у м. Щелкіно, АР Крим, в 2000, 2001, 2003, 2004 р.р.; “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами в надзвичайних ситуаціях” АР Крим, 2002 р.; “Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою регіонів, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях” АР Крим, 2003р.; “Гідрохімія, гідрологія і гідроекологія” м. Київ, 2003 р.; “Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною і інформаційною безпекою в регіонах” АР Крим, с. Рибальське, 2004р.; “На шляху до сталого розвитку регіонів. Екологічні та соціально-економічні аспекти” м. Полтава, 2004 р. та інших.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 32 наукові роботи, в тому числі: 1 монографія (у співавторстві), 7 статей, 3 з яких опубліковано у виданнях, регламентованих ВАК України, 5 державних стандартів України, 14 тез доповідей, 5 нормативних документів міжвідомчого значення. Чотири статі опубліковано без співавторів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 143 найменувань і 16 додатків. Повний зміст роботи викладено на 191 сторінках, з них 149 сторінок основного тексту, 20 таблиць і 27 рисунків (з них 12 таблиць та 13 рисунків на 40 окремих сторінках).

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено зв'язок дисертації з науковими програмами та планами, сформульовано мету і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, виокремлено особистий внесок автора, висвітлено апробацію результатів дисертації та коротко викладені основні положення дисертації.

У першому розділі наведено аналітичний огляд стану проблеми й обґрунтовано напрямки досліджень з питань вдосконалення технічного забезпечення системи моніторингу навколишнього середовища.

Огляд відповідної науково-технічної літератури про складні інформаційні системи свідчить, що різноманіття завдань, які постають при створенні та функціонуванні цих систем, у першу чергу приводить до необхідності удосконалення системи їх технічного забезпечення та вдосконалення наукових основ щодо їх експлуатації. Технічне забезпечення досліджується за принципами теорії експлуатації так як в основному вирішується під час експлуатації систем.

Відзначено внесок у розвиток теорії і практичних питань експлуатації технічних систем, у тому числі комплексного екологічного контролю, таких українських і російських вчених, як Александров А.И., Бравий В.Е., Волков Л.И., Демидов Б.А., Ізраель Ю.А., Лагутін М.Ф., Латинський С.М., Лисиченко Г.В., Рєзников Б.А., Староселець В.Г., Шестопалов В.М. та ін. Однак, залишаються ще недостатньо висвітлені питання щодо узагальнень експлуатаційних особливостей систем моніторингу довкілля різних рівнів, у тому числі не розглянута проблема залежності функціонування ДСМД від впровадження комплексного підходу щодо оптимізації її технічного забезпечення від етапу розробки проекту до етапу експлуатації всієї системи.

Наукові дослідження з теорії експлуатації систем складаються з вирішення ряду окремих завдань, які можна поділити на три складові частини.

У першій частині розглянуто принципи управління щодо функціонування складних систем при їх експлуатації. Ця проблема широко висвітлена в літературі з питань надійності функціонування і експлуатації. Друга, визначає алгоритми розробки операцій з технічної експлуатації і забезпечення ремонтної придатності цих систем. Ця проблема досліджена у літературі з технічної діагностики, теорії контролю і відновлення, обслуговування і ремонту. Третя складова, визначає вимоги до експлуатаційних показників і розробки технології технічної експлуатації системи. Цілий ряд основних питань цього розділу на даний час залишається невирішеним і недостатньо висвітленим у літературі.

Аналіз літератури, дозволив виявити недоліки технічного забезпечення ДСМД: відсутня єдина стратегія до комплексного розвитку системи; недосконалі принципи централізованого управління; не розвинені методи системного підходу до технічної експлуатації систем, в тому числі з питань оптимального підбору ЗВТ; значна розмаїтість елементної бази; недостатнього рівня стандартизації та уніфікації ЗВТ; відсутності єдиного підходу до метрологічного і методичного забезпечення; відсутні системи автоматизованого збору, аналізу і обробки інформації зі стану технічного забезпечення.

На підставі аналізу сучасного стану проблеми, а також вимог, які пред'являються до функціонування ДСМД, у роботі обрані і обґрунтовані наступні напрямки досліджень з вдосконалення її технічного забезпечення:

- розробка типової структури технічного забезпечення;

- визначення змісту видів технічного забезпечення, особливостей їхньої реалізації з урахуванням наявного стану ДСМД;

- визначення принципів і розробка оптимальної системи управління технічним забезпеченням;

- розробка баз даних щодо складу і стану існуючих мереж спостереження системи моніторингу НПС;

- проведення аналізу технічного оснащення ДСМД і в першу чергу ЗВТ;

- оптимізація комплексів ЗВТ, що реалізують програми спостережень.

У цьому ж розділі наводяться результати аналізу існуючої ДСМД і визначено характеристики щодо її складу та інформаційних зв'язків. Обґрунтовано, що ДСМД відноситься до складних організаційно-технічних систем, з недосконалими підсистемами загальнодержавного і відомчого управління. Виходячи з цього, була розроблена схема інформаційної взаємодії суб'єктів ДСМД, яка впроваджена документом - КНД 211.0.1.101-02 “Положення про порядок інформаційної взаємодії органів Мінекоресурсів України та інших суб'єктів системи моніторингу довкілля при здійсненні режимних спостережень за станом довкілля”.

Досліджено забезпеченість існуючої ДСМД ЗВТ з детальним визначенням стану оснащення мереж спостереження Мінприроди - основної складової ДСМД. Інформація для аналізу була накопичена в базах даних мереж спостереження Мінприроди “Атмосфера”, “Гідросфера” та базі даних “Приладове та методичне оснащення аналітичних лабораторій”, які розроблені в рамках дисертаційної роботи на замовлення Мінприроди. На рис.1 представлено загальний вигляд екрану бази даних “Гідросфера” в момент пошуку інформації про стан мережі спостережень в басейні р. Дніпро.

За сучасним станом у підпорядкуванні Мінприроди налічується 86 аналітичних лабораторій. Результати аналізу даних цих лабораторій за окремими показниками представлені в таблиці 1 і діаграмах (рис. 2 і 3).

Таблиця 1. Дані про термін використання ЗВТ у системі моніторингу НПС Мінприроди

	Екоінспекції	Гідромет	Геологія	Усього
ААС	34	3	10	47
до 5 років	4	0	0	4
5-10 років	16	2	0	18
більше 10 років	14	1	10	25
Спектрофотометрія	149	65	24	238
до 5 років	11	4	0	15
5-10 років	20	6	1	27
більше 10 років	118	55	23	196
Хроматографія	19	7	7	33
до 5 років	0	0	0	0
5-10 років	0	0	0	0
більше 10 років	19	7	7	33
Потенціометрія	75	27	12	114
до 5 років	4	3	0	7
5-10 років	8	3	0	11
більше 10 років	63	21	12	96
Усього	277	102	53	432
до 5 років	19	7	0	26
5-10 років	44	11	1	56
більше 10 років	214	84	52	350

У процесі досліджень встановлено, що основні ЗВТ аналітичних лабораторій морально та фізично застаріли і потребують кардинального, переоснащення системи. Ці заходи необхідно планувати з урахуванням сучасних вимог до функціонування ДСМД. Науково-аналітичні дані, отримані у дисертації, дозволили запропонувати нові принципи, організації єдиної структури у вигляді технічного забезпечення ДСМД.

У другому розділі досліджені та сформульовані основні цілі й завдання, принципи побудови технічного забезпечення складних інформаційних систем на прикладі ДСМД, пропонується склад, визначений зміст видів технічного забезпечення і розроблена структура системи, що реалізує технічне забезпечення в ДСМД.

У цілому ДСМД можна визначити, як трирівневу умовно ієрархічну (комплексну) систему, що складається з державної, регіональних і об'єктових (відомчих) систем моніторингу і має між ними зв'язки підпорядкованості та узгодження.

На всіх стадіях життєвого циклу такої системи (проектування, виготовлення, експлуатація) необхідно вирішувати завдання, пов'язані із забезпеченням необхідної якості її функціонування, до яких належать цілий ряд складових. Проте, для вже існуючих систем пріоритетом є забезпечення якості їхнього функціонування на стадії експлуатації. Фактори, що впливають на функціонування системи спостережень за станом НПС досліджені в цій роботі.

Показано, що для підтримки якості системи на етапі експлуатації необхідно відповідне технічне забезпечення. З позицій системного аналізу та мети досліджень визначено основні принципи щодо створення підсистеми технічного забезпечення ДСМД.

Мету технічного забезпечення ДСМД визначено, як: своєчасна підготовка і забезпечення системи ЗВТ та іншого устаткування, забезпечення необхідної безвідмовності та працездатності ЗВТ, забезпечення ефективності потрібного рівня функціонування ЗВТ, відновлення елементів ДСМД.

На підставі аналізу існуючої ДСМД, мети її створення і умов функціонування, з огляду на досвід експлуатації подібних складних систем в інших галузях, у дисертації визначені завдання підсистеми технічного забезпечення: контроль складу ЗВТ відповідно до проектної, експлуатаційної і нормативної документації; методичне забезпечення вимірювань; оцінка стану системи; контроль стану технологічних споруд і приміщень; прогнозування відновлення та заміни, організація регламентного обслуговування технічних засобів системи; метрологічне забезпечення ЗВТ; матеріально - технічне забезпечення експлуатації системи; підготовка кваліфікованих фахівців для обслуговування системи та інш.

З наведених завдань випливає, що організація технічного забезпечення функціонування ДСМД є самостійною, окремою, складною проблемою.

На підставі визначених завдань технічного забезпечення ДСМД, у роботі досліджені і обґрунтовані наступні види технічного забезпечення: інженерно-технічне забезпечення експлуатації ЗВТ і устаткування; забезпечення засобами обчислювальної техніки, зв'язку та автоматизованих систем управління (АСУ); програмно - алгоритмічне забезпечення; методичне забезпечення; метрологічне забезпечення; нормативно - правове забезпечення. Для всіх видів технічного забезпечення в роботі визначені призначення, завдання та характеристика.

У результаті досліджень вироблені принципи і методологічний підхід до управління підсистемою технічного забезпечення ДСМД, на підставі яких визначений перелік загальносистемних і відомчих завдань. Запропоновано, що вирішення загальносистемних завдань технічного забезпечення доцільно здійснювати загальносистемним органом централізовано - координуючим центром (КЦ) технічного забезпечення, а ряд завдань вирішувати на відомчому рівні - суб'єктами моніторингу з урахуванням загальносистемних вимог.

За результатами досліджень розроблена і пропонується до впровадження загальна структура системи організації, управління та реалізації технічного забезпечення ДСМД (рис.4). Всі функціональні підрозділи структури, що забезпечують реалізацію технічного забезпечення ДСМД, можна умовно розділити на дві частини: перша - що реалізує загальносистемні завдання; друга - реалізує відомчі завдання. Для вироблення і реалізації науково-технічної політики технічного забезпечення пропонується визначити головні наукові організації (ГО) та базові організації, функції яких визначені в роботі. Здійснення єдиної політики щодо технічного забезпечення у відомчих підрозділах-суб'єктів моніторингу ДСМД повинно проводитись КЦ.

У другому розділі дисертації досліджені та сформульовані мета та основні завдання, принципи побудови технічного забезпечення складних інформаційних систем типу ДСМД, пропонується склад, визначений зміст видів технічного забезпечення і розроблена відповідна структура, що в ДСМД реалізується як підсистема „технічне забезпечення”.

Третій розділ присвячено оптимізації комплексів ЗВТ, як основної проблеми в складі підсистеми технічного забезпечення ДСМД.

Дослідження здійснювалися з урахуванням забезпечення програм спостереження, що виконуються системами моніторингу, а також характеристик ЗВТ. Для оцінки параметрів якості ЗВТ використовувались принципи кваліметрії, які забезпечують визначення номенклатури необхідних показників якості ЗВТ і їхніх оптимальних значень. Для ЗВТ ДСМД до таких властивостей доцільно віднести такі показники: ефективність, надійність, ремонтопридатність, вартість, кількість вимірюваних параметрів та час виміру одного параметру і, що особливо важливо для систем моніторингу, селективність і умови пробо підготовки.

Виходячи із зазначених властивостей, а також з урахуванням методів аналітичних досліджень, на підставі яких вони побудовані, в дисертації запропоновано спеціальну класифікацію ЗВТ ДСМД. Вона використана для розробки БД - “Технічні засоби контролю навколишнього середовища”, що застосовується для практичної реалізації оптимального підбору комплексу ЗВТ.

Одним з основних завдань ДСМД є одержання найбільш достовірної і порівняльної інформації, у зв'язку з цим оснащеність аналітичних лабораторій однотипними і сучасними комплексу вимірювальних засобів (КВЗ) з великою продуктивністю та мінімальними експлуатаційними витратами є найважливішим завданням технічного забезпечення.

У розділі наводяться розроблені методи і алгоритми оптимізації комплексу вимірювальних засобів аналітичної лабораторії. Алгоритми складаються із двох під алгоритмів - попереднього відбору ЗВТ та оптимізації попередньо відібраного КВЗ за обраними критеріями.

Суть попереднього відбору КВЗ полягає у виборі конкретних ЗВТ на основі оцінок порівняльної переваги альтернатив, виходячи із кваліметричного опису, при цьому використовується метод парних порівнянь.

Результати попереднього відбору ЗВТ надалі використовуються в програмах оптимізації КВЗ за визначеними у роботі частковими критеріями:

- максимальне завантаження ЗВТ при виконанні заданої програми спостереження за станом НПС за рік;

- мінімальна вартість вимірювань за рік.

Вихідними даними для обох підалгоритмів оптимізації є: заданий перелік а_i - их параметрів НПС, що підлягають визначенню (i = 1…...n); вихідний перелік b_j ЗВТ, які можуть використовуватися для визначення заданих параметрів (j = 1…m)...

Нехай: Т - час роботи лабораторії за рік; Тj - час роботи j - го приладу в році (Тj Т); ?ij - час, який необхідно для вимірювань i- го параметру j - м при- ладом з урахуванням пробопідготовки; Ri - задана кількість вимірів i - го параметру за рік.

Оцінювання значень ?_ij не лімітується методиками виконання вимірювань. Для обґрунтування значень параметра ?_ij у роботі запропоновано метод експертних оцінок з використанням математичного апарату теорії нечітких множин.

Оптимізацію КВЗ за критерієм максимального завантаження.

Під завантаженням j - го приладу вимірюванням i - го параметру будемо розуміти частку часу ( ) із усього часу .

Отже, = R_i . ф_ij - час, необхідний для проведення R_i вимірювань i - го параметру j - м ЗВТ за рік.

У таблиці 2 наведено вихідну матрицю вимірювань i - х параметрів, що здійснено j - ми приладами за рік. Елементами цієї матриці є час ?_ij (ф_ij 0 ф_ij=0). Позначимо через ?Т_ij час, що витрачений j - им приладом на проведення певного числа вимірювань i-го параметру. Цільовою функцією Z, яку необхідно максимізувати, є число вимірювань, що виконується КВЗ:

. (1)

Таблиця 2. Матриця вимірювань i - х параметрів j - ми приладами.

i j	1	2	…	i	…	n	Tj
1	ф11	ф21		ф i 1		ф n 1	T1
2	ф12	ф22		ф i 2		ф n 2	T2
…
J	ф 1j	ф 2j		фij		фnj	Tj
…
m	ф 1m	ф 2m		фim		фnm	Tm
Ri	R1	R2		Ri		Rn

Оптимізація функції Z виконується з урахуванням таких обмежень:

для всіх i = 1 …n ; для всіх j = 1 ... m.

Задача оптимізації в роботі розв'язувалась з використанням методу лінійного програмування (комп'ютерна система “Математика 3.0”).

Оптимізація КВЗ за критерієм мінімальної вартості вимірювань.

Критерій мінімальної вартості вимірювань на інтервалі часу відноситься до економічних показників, що повинен оцінюватись з урахуванням витрат на виробничі площі (С_пл), вартість ЗВТ (С_j), експлуатаційні витрати (С_э), витрати на заробітну плату (С_зп) і витрати на пробопідготовку (С_пр). Таким чином, вартість вимірювання i-го параметру j-м ЗВТ (С_ji ) визначається виразом:

. (2)

Вихідною для вибору КВЗ за критерієм мінімальної вартості всіх вимірювань є матриця вартості вимірювань С_ij.

Суть алгоритму полягає у виконанні операцій оптимізації.

Цільовою функцією Z, яку варто мінімізувати, є вартість всіх вимірювань, які необхідно провести за допомогою КВЗ:

, (3)

де - число вимірювань, проведених j-м приладом, i-го параметру на інтервалі часу Т (рік).

Оптимізація функції Z виконується з урахуванням наступних обмежень:

; для всіх i = 1 …n ; , для всіх j = 1 ... m.

Як приклад, у роботі проведений вибір оптимального КВЗ за даним критерієм, що забезпечує повний вимірювання всіх заданих параметрів.

Порівняння обраних комплексів за обома алгоритмами показує, що результуючі КВЗ мають до 80% однакових ЗВТ, що підтверджує погодженість обраних критеріїв оптимального вибору КВЗ.

Описана методика може бути запропонована суб'єктам ДСМД для оптимізації оснащеності КВЗ аналітичних лабораторій, що призначені для проведення спостережень за станом довкілля. Це сприятиме оснащенню ДСМД однотипними ЗВТ і методиками вимірювань та дозволить одержувати більш достовірні результати вимірювань тобто підвищити якість функціонування системи.

Наявність баз даних щодо технічного і методичного забезпечення аналітичних лабораторій має сприяти підвищенню ефективності прийняття управлінських рішень, оптимізації ЗВТ і забезпеченню вимог екологічної безпеки з питань організації спостережень стану НПС, у тому числі при використанні ДСМД у надзвичайних ситуаціях.

У четвертому розділі розглянуто 548 законодавчіх актів, Положень та нормативних документів. Проведена класифікація нормативної бази за принципом належності до конкретного об'єкту НПС та визначено документи різних рівней, які мають безпосереднє відношення до теми дисертації, наведені результати аналізу нормативної бази ЗВТ і забезпеченості ЗВТ необхідними стандартами, в тому числі на відповідність їх міжнародним вимогам. Аналіз забезпеченості стандартами показує, що в найменшому ступені забезпечена стандартами термінологія в галузі розробки, виробництва і експлуатації ЗВТ для спостережень за станом НПС.

За результатами досліджень у роботі визначений перелік стандартів, які необхідні для забезпечення першочергових потреб приладового забезпечення моніторингу НПС та розроблена структура інформаційної бази даних з нормативно-методичного забезпечення.

У п'ятому розділі розглядається методологічний підхід до оцінки впливу запропонованої підсистеми технічного забезпечення на ефективність функціонування ДСМД.

Для дослідження ефективності функціонування ДСМД обрано показник якості її результатів, що ґрунтується на таких складових як результативність функціонування і витрати ресурсів. Нехай Е - векторний показник якості функціонування системи, Э = (Э₁,…Э_n1) - вектор результатів функціонування системи, С=(С₁,…С_n2) - вектор витрат ресурсів. Тоді показник якості функціонування системи (Е) може бути представлений як n-мірний вектор (n = n₁ + n₂):

Е = (Э,С) = (Э₁, …,Э_n1, C₁,…, C_n2)... (4)

Якщо Е_д = (Э_д, С_д) - вектор припустимих результатів функціонування системи, то {Е_д} - область припустимих значень вектора Е, тобто Е {Е_д}

Виходячи з наведеного вище, як показник ефективності функціонування системи повинна фігурувати ймовірність події Е {Е_д} :

Р_{буд. ц.} = Р(Е {Е_д}). (5)

На практиці вимоги до результатів функціонування ДСМД можна звести до наступного: цільовий ефект повинен бути не менше необхідного значення Э_тр, а витрати повинні бути не вище припустимих С_доп.

Тоді Е_тр = (Э ? Э_тр) (С ? С_доп). (6)

Імовірнісний опис області {Е_д} зводиться до визначення закону розподілу випадкового вектора Е_тр. Імовірність досягнення мети системою при обмеженні вартості визначається за формулою повної імовірності :

Рд. _ц = Р(Е {Е_д}) = f (E^')dЭ'dС^' (7)

де f (E) - щільність розподілу випадкового вектора Е'.

Аналіз даних експертного оцінювання результатів і вартості експлуатації відомчих систем моніторингу, проведений при виконанні роботи, дозволяє зробити висновок, що імовірність досягнення мети можна розглядати, як добуток одномірних залежностей від Э та С:

ѓ (Е) = ѓ (Э) ѓ (С), тобто

P_дц = ѓ (E)dЭdС = ѓ(Э) dЭѓ(С) dС. (8)

На підставі центральної граничної теореми теорії імовірності можна прийняти, що Э и С мають нормальний закон розподілу. Тоді загальний вигляд функцій і можна представити на графіках 1 рис. 5 а,б.

Як показано у роботі, при впровадженні підсистеми технічного забезпечення ДСМД математичне очікування результативності системи моніторингу збільшиться, тобто крива щільності зміститься праворуч по осі абсцис (крива 2 рис. 5 а), а математичне очікування вартості експлуатації системи моніторингу зменшиться, тобто крива щільності зміститься ліворуч по осі абсцис (крива 2 рис. 5 б). Тоді ймовірність досягнення мети , як добуток інтегралів від і від збільшиться.

Рис.5 Загальний вигляд функцій і

Таким чином, можна зробити висновок, що розробка і впровадження запропонованої підсистеми технічного забезпечення ДСМД дасть позитивний ефект.

Висновки

1. Серед комплексу заходів, які визначають умови функціонування цієї системи, найголовнішим є технічне забезпечення, загальні принципи якого знайшли відображення в теорії складних систем і потребують подальшого розвитку. У зв'язку з цим у дисертаційній роботі вперше проведено наукові дослідження щодо напрямків, методів та принципів вдосконалення функціонування ДСМД та оптимізації шляхів її розвитку в частині підсистеми технічного забезпечення.

2. Виконано комплексну експертно-аналітичну оцінку стану системи моніторингу НПС в Україні, яка показала, що її технічне забезпечення не в повній мірі відповідає сучасним вимогам. Обґрунтовано шляхи оптимізації її функціонування в частині технічного забезпечення, якими є вдосконалення структури та змісту підсистеми технічного забезпечення, створення системи управління та оптимізація комплексів ЗВТ.

3. Розроблені та впроваджені бази даних мереж спостереження довкілля “Атмосфера”, “Гідросфера”, “Приладового та методичного забезпечення мережі спостережень за станом довкілля”, що експлуатуються підрозділами Мінприроди України. На основі цих інформаційних систем проведено аналіз існуючого парку ЗВТ Мінприроди з використанням принципів наукової області кваліметрії, що забезпечує визначення номенклатури необхідних показників якості ЗВТ і їхніх оптимальних значень. Зроблені висновки, що аналітичні лабораторії потребують технічного переоснащення з урахуванням єдиних вимог до ДСМД та вимог міжнародних стандартів з питань контролю стану НПС.

4. Вперше розроблено, програмно - інформаційний комплекс для оцінювання сучасного стану та оптимізації застосування технічних засобів мереж спостережень НПС і прийняття своєчасних управлінських рішень з питань екологічної безпеки, в тому числі для вирішення задач управління екологічною безпекою в надзвичайних ситуаціях. В програмно - інформаційному комплексі розроблені критерії оптимізації пунктів спостережень і пошукові критерії даних за допомогою ГІС технологій на електронній карті. Це дозволяє при необхідності приймати обґрунтовані рішення (з мінімальними витратами часу) про залучення для проведення оперативних спостережень за станом НПС ресурсів наявних в заданому регіоні аналітичних лабораторій, що особливо актуально для організації спостережень в надзвичайних ситуаціях.

5. Вивчено особливості існуючої ДСМД, її складу, оснащеності ЗВТ, нормативного забезпечення та інформаційних зв'язків. Показано, що ДСМД є складною інформаційною системою, яка вирішує цілий комплекс багатопланових завдань. На підставі аналізу сучасного стану проблеми, а також вимог, які пред'являються до забезпечення ефективності функціонування ДСМД, у роботі обрані і обґрунтовані напрямки з вдосконалення її технічного забезпечення.

6. Визначені цілі, завдання і структура технічного забезпечення, досліджені та запропоновані його види (інженерно-технічне забезпечення; забезпечення засобами обчислювальної техніки, зв'язку та АСУ; програмно - алгоритмічне забезпечення; методичне забезпечення; метрологічне забезпечення; нормативно - правове забезпечення) і визначено їх зміст.

7. Вперше обґрунтовано принципи управління технічним забезпеченням ДСМД, запропоновано методологічний підхід до розробки системи управління технічним забезпеченням, розроблена і пропонується до впровадження загальна структура організації технічного забезпечення ДСМД.

8. Досліджені і обрані часткові критерії оптимізації КВЗ, вперше розроблені методика й алгоритми оптимізації КВЗ за критеріями максимального завантаження ЗВТ і мінімальної вартості всіх вимірів .

9. Проведено оцінку існуючої нормативної бази, що забезпечує функціонування ЗВТ для спостережень стану НПС і потреби екологічної безпеки і запропонований перелік стандартів, розробка яких необхідна в першу чергу. Розроблено структуру інформаційної бази даних з нормативно-методичного забезпечення ДСМД.

10. Розроблено методологічний підхід до оцінки впливу запропонованої підсистеми технічного забезпечення на ефективність функціонування ДСМД. Показано позитивний ефект від впровадження запропонованої системи технічного забезпечення на якість функціонування ДСМД.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Экологическое состояние трансграничных участков рек бассейна Днепра на территории Украины/ Васенко О.Г., Варламов Е.Н., Величко О.Н. и др.- К.: Академпериодика, 2002.- С. 263-279.

2. Варламов Е.Н. Решение задачи оптимизации комплекса измерительных средств для осуществления мониторинга и контроля окружающей природной среды// Коммунальное хозяйство городов.- К.: Техніка, 2004.- Вып. 55.- С. 73-80.

3. Варламов Е.Н. Техническое обеспечение сетей наблюдения, как основа получения информации на примере организации мониторинга бассейна р. Северский Донец// Вестник Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”.-Харьков: НТУ “ХПИ”, 2004.- № 29. - С.42-49.

4. Варламов Е.Н., Квасов В.А., Полосухина Л.А., Брук В.В. Синтез измерительной системы мониторинга окружающей среды// Вестник Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2004.- № 45. - С.151-158.

5. Варламов Е.Н., Квасов В.А. Задачи создания системы технического обеспечения мониторинга окружающей природной среды// Проблеми охорони навколишнього природного середовища та техногенної безпеки: Зб.наук.пр.- Харків,: УкрНДІЕП, 2000. - С. 160-162.

6. Варламов Е.Н., Брук В.В., Овчинник Е.Н., Варламов А.Е. Оптимизация сети мониторинга окружающей среді и ее оснащенности с применением ГИС - технологий на примере р. Днепр// Сб. науч. ст. XII междунар. науч.-техн. конф. "Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейна. Утилизация отходов".- Щелкино: Райдер.- 2004.- С.367-368.

7. Варламов Е.Н., Квасов В.А. Стандартизация и унификация средств измерительной техники в системе экологического мониторинга// Сб. науч. ст. X междунар. науч.-техн. конф. "Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейна. Утилизация отходов".- Щелкино: фирма “Курсор”, 2001.- Т.II. -С. 439-441.

8. Варламов Е.Н., Брук В.В., Овчинник Е.Н., Яковенко А.М. Использование ГИС-технологии при создании банков данных сети наблюдений за состоянием окружающей среды // Сб. ст. міжнар. наук.- практ. конф. "Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях".- Рыбачье: “ХАИ”, 2002.- С. 232-234.

9. Варламов Є.М., Варламов Г.Б., Катриченко Г.М., Юрченко Л.Л. Методичні рекомендації з підготовки регіональних та загальнодержавної програм моніторингу довкілля/ К.: Мінекоресурсів. - 2001.- 38с.

10. Варламов Є.М., Квасов В.А., Яковенко А.М. Методичні вказівки щодо проведення інвентаризації лабораторій аналітичного контролю: РД 211.0.7.104-02/ К.: Мінекоресурсів.- 2002.- 20с.

11. Варламов Є.М., Єрмоленко Ю.В., Юрченко Л.Л. Положення про порядок інформаційної взаємодії органів Мінекоресурсів України та інших суб'єктів системи моніторингу довкілля при здійсненні режимних спостережень за станом довкілля: КНД 211.0.1.101-02/ К.: Мінекоресурсів.- 2002. - 12с.

12. Варламов Е.Н. Состояние приборного обеспечения лабораторий Минэкобезопасности// Проблеми охорони навколишнього природного середовища та техногенної безпеки: Зб.наук.пр.- Харків: УкрНДІЕП, 2000.- С. 173-176.

13. Варламов Е.Н., Колотуша С.С., Шматков С.І. Концептуальні засади розробки концепції та державної програми моніторингу навколишнього природного середовища України// Тр. I міжнар. наук.- практ. конф. "На шляху до сталого розвитку регіонів. Екологічні та соціально-економічні аспекти".- Полтава: НТУ, 2004.- С. 171-177.

Анотації

Варламов Є.М. Система технічного забезпечення моніторингу навколишнього середовища. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - екологічна безпека. - Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, Харків, 2005.

Дисертація присвячена розробці методології створення системи технічного забезпечення складних інформаційних систем (на прикладі державної системи моніторингу довкілля) та оптимізації комплексів засобів вимірювальної техніки систем моніторингу довкілля.

Наведено огляд стану оснащення засобами вимірювальної техніки існуючих систем моніторингу довкілля та визначена їх відповідність завданням і сучасним вимогам. У роботі наведено методику збору та підготовки даних для дослідження стану оснащення аналітичних лабораторій. Розроблено бази даних, що дозволяють удосконалити прийняття управлінських рішень з екологічної безпеки та в надзвичайних ситуаціях. Визначено рівень розробок з питань технічного забезпечення складних інформаційних систем. Узагальнені дані публікацій з питань технічного забезпечення складних інформаційних систем та оптимізації комплексів засобів вимірювальної техніки таких систем.

Розроблена модель структури щодо технічного забезпечення Державної системи моніторингу довкілля, визначені його основні цілі та задачі, а також принципи розбудови та склад технічного забезпечення всієї ДСМД.

Запропоновано методики, алгоритми та критерії оптимізації комплексів засобів вимірювальної техніки.

Ключові слова: технічне забезпечення, засоби вимірювальної техніки, оптимізація, моніторинг довкілля, складні інформаційні системи.

Аннотация

Варламов Е. М. Система технического обеспечения мониторинга окружающей среды. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - экологическая безопасность. - Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена разработке методологии создания технического обеспечения сложных информационных систем на примере Государственной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) и оптимизации комплексов средств измерительной техники (СИТ) систем мониторинга окружающей среды и экологической безопасности.

Определен уровень разработок по вопросам технического обеспечения (ТО) сложных информационных систем. Обобщенны данные публикаций по вопросам технического обеспечения таких систем и оптимизации комплексов средств измерительной техники.

По результатам анализа литературных даннях определены недостатки ТО сложных информационных систем на примере ГСМОС.

Приведен анализ состояния оснащения средствами измерительной техники существующих систем мониторинга окружающей природной среды (ОПС) в Украине и определено их соответствие задачам и современным требованиям экологической безопасности.

В работе приведена методика сбора и подготовки данных для исследования состояния оснащения аналитических лабораторий, осуществляющих мониторинг ОПС, и созданы базы данных, позволяющие усовершенствовать принятие управленческих решений в области экологической безопасности, в частности при чрезвычайных ситуациях.

На основании анализа современного состояния проблемы, а также требований, которые предъявляются к функционированию ГСМОС, в работе выбраны и обоснованы основные направления исследований по совершенствованию ТО ГСМОС.

Обеспечение функционирования существующей ГСМОС, как единой системы, является достаточно сложной задачей и требует решения целого ряда вопросов, как в организационном, так и в техническом плане.

Разработана модель структуры подсистемы технического обеспечения ГСМОС и определенны основные цели и задачи, принципы развития и состав технического обеспечения сложных информационных систем мониторинга ОПС.

Проведена классификация СИТ, исходя из оценки их качества с использованием принципа научной области квалиметрии, обеспечивающей определение номенклатуры необходимых показателей качества СИТ и их оптимальных значений, а также с учетом методов аналитических исследований, на основании которых они построены. При выполнении данной работы были проанализированы и рекомендованы методы, которые целесообразно использовать в системе мониторинга для определения показателей состояния окружающей природной среды.

Предложены методики, алгоритмы и критерии оптимизации комплексов средств измерительной техники для ГСМОС. В настоящий момент ГСМОС строится из ведомственных систем мониторинга. Поэтому на данном этапе можно и необходимо оценить “оптимальность” обеспечения средствами измерительной техники ведомственных структур мониторинга. При дальнейшем совершенствовании приборного парка лабораторий, его методического обеспечения следует исходить из общесистемного подхода и руководствоваться методиками оптимизации комплексов измерительной техники. Это приведет в конечном итоге к насыщению ГСМОС однотипными СИТ и методиками измерений, что даст возможность получать наиболее достоверные и точные результаты измерений.

Проведен анализ нормативной базы СИТ и по результатам исследований определен перечень стандартов, которые необходимы для обеспечения первоочередных потребностей приборного обеспечения мониторинга ОПС. Целью анализа нормативной базы есть определение ее соответствия необходимым и достаточным условиям обеспечения создания и функционирования наблюдения в ГСМОС с использованием современных СИТ.

Законодательно-нормативное обеспечение, стандарты и методики для обеспечения функционирования СИТ является одним из видов ТО и имеют важное значение при подборе показателей для предварительного выбора комплекса измерительных средств.

Разработана методология оценки влияния предлагаемой системы технического обеспечения на эффективность функционирования ГСМОС.

Ключевые слова: техническое обеспечение, средства измерительной техники, оптимизация, мониторинг окружающей среды, сложные информационные системы.

Аnnotation

Varlamov E. Technical maintenance system of an environment monitoring. - Manuscript.

The thesis for a Doctor's degree of the Engineering Sciences on specialty 21.06.01 - Ecological safety. - Ukrainian scientific and research institute of ecological problems, Kharkov, 2005.

The dissertation is devoted to the working out of the methodology for making system technical providing of compound informational systems (on example of the state environmental monitoring system) and optimization of the complex measuring means for the environmental monitoring .

The contemporary state of the measuring equipment for the environmental monitoring has been presented in the review.

The technical providing and optimization of the complex means of measuring have been generalized. The model of the system for the technical providing of the state environmental monitoring has been worked out.

The based objects and tasks, the principles of the elaboration and the composition of the compound information systems have been worked out. The method of the optimization including the proposed rating criteria and the optimization algorithm of the complex measuring means for the environmental monitoring have been worked out.

Key words: system method of approach, technical providing, information system, environmental monitoring.

Размещено на Allbest.ru