Введение к работе
Актуальность работы. Во второй половине двадцатого века человечество осознало себя живущим в хрупком мире, который может быть до основания разрушен термоядерной войной или другой глобальной катастрофой, ресурсы которого исчерпаемы, а природа быстро деградирует. В общественном сознании произошла резкая перемена, приведшая в конечном итоге к тому, что сохранение окружающей среды стало общенациональной проблемой для развитых стран. Начали создаваться системы дистанционного и локального мониторинга, призванные пополнить знания о природной среде и о путях экологически безопасного развития. Однако сравнительно быстро выяснилось, что знания о самом процессе получения измерительной'информации для контроля природной среды недостаточны. Поэтому в последние годы проблемы физико-химических измерений компонентов окружающей среды привлекают неослабное внимание исследователей во всем мире.
Возникновение упомянутых проблем обусловлено тем, что сложный и чрезвычайно изменчивый состав природной среды требует для своего анализа адекватного по сложности комплекса измерений, включающего пробоотбор и пробоподготовку, анализ пробы физико-химическими, биохимическими и т.п. методами, обработку полученных данных, расшифровку состава пробы и использование полученных результатов в экоинформационных системах. Решение такого комплекса задач требует "интеллектуализации" измерений, т.е. разработку и использование программного обеспечения, имитирующего особенности человеческого мышления для всех стадий анализа - ог планирования эксперимента до интерпретации полученных результатов. Поэтому создание автоматизированных систем для обработки данных контроля природной среды рассматривается в настоящее время как приоритетная проблема, решение которой должно способствовать обеспечению экологически безопасного развития отдельных регионов и планеты в целом.
В диссертации обобщены результаты научно-исследовательских работ автора по созданию автоматизированных систем обработки данных контроля природной среды, выполненных с 1973 по 1995 год, в соответствии с тематическими планами института "Химаналит", СЗПИ и НИЦЭБ РАН в рамках федеральных программ "Экология Ленинграда", "Невская губа" и других, а также международных грантов "Regional Monitoring of
St.Petersburg Region as Global Change Pilot Program" /Project R48, USA, 1993/ и "Observation and Modelling of Transport and Dilution of Radioactive Waste and Dissolved Pollutants in the Kara Sea" /INTAS-93-8H/.
Цель работы заключалась в разработке теоретических основ и методологии построения автоматизированных систем, реализующих элементы теории искусственного интеллекта и предназначенных для обработки данных контроля природной среды в информационных системах экологической безопасности.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить две группы задач:
а) разработать методологию обработки данных контроля атмо
сферных загрязнений, основанную на использовании математиче
ских моделей, описывающих процесс формирования измеритель
ной информации и позволяющую разработать алгоритмическое
обеспечение автоматизированных информационных систем;
- разработать процедуры предварительного анализа данных и методы, позволяющие Уценивать устойчивость алгоритмов обработки данных;
- проверить эффективность обоснованных методов на различных
типах данных, получаемых при контроле природной среды с по
мощью локальных и дистанционных методов измерений;
б) разработать подходы к организации программного обеспече
ния, реализующие элементы теории искусственного интеллекта и
пригодные для использования в информационных системах эко
логической безопасности;
исследовать с помощью численного моделирования свойства различных статистических методов для оценки их эффективности при обработке результатов физико-химических измерений;
разработать программное обеспечение, реализующее предложенные методы, для обработки данных контроля природной среды в информационных системах экологической безопасности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- Разработана методология обработки данных контроля атмо
сферных загрязнений, основанная на выборе математических мо
делей по результатам исследований адекватности и устойчивости
решений соответствующих обратных задач и позволяющая раз
работать алгоритмическое обеспечение автоматизированных
систем обработки данных.
- Предложена базовая схема построения автоматизированной
системы обработки данных, реализующая элементы теории искус
ственного интеллекта и отличающаяся тем, что математические
модели и наборы данных играют роль фактов, а правила форми
руются на основе статистических процедур.
- Предложены методы исследования устойчивости решения об
ратных задач, основанные на оценивании в вычислительных экс
периментах дисперсий, характеризующих разброс результатов
обработки модельных данных.
Разработан статистический алгоритм обработки данных одно-частотного лазерного зондированиия, позволяющий определять оптические характеристики неоднородной трассы без выполнения дополнительных измерений и калибровки лидара.
Разработаны алгоритмы обработки данных при метрологической аттестации методик выполнения измерений -концентраций паров веществ, загрязняющих атмосферу, основанные на исследовании адекватности и устойчивости решения для семейства математических моделей, описывающих процесс измерения.
Практическая ценность работы. Работа нашла применение при разработке информационно-поисковой системы " ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ "; пакетов прикладных программ для обработки данных экспедиций по изучению водной системы " Ладожское озеро - река Нева - Невская губа "; результатов экспериментов по изучению работоспособности человека при действии экологическх факторов; информации, получаемой со спутников "Космос-1939", NOAA, а также для обработки данных других локальных и дистанционных приборов, предназначенных для контроля состояния природной среды. Результаты исследований использованы при создании первой версиии информационной системы экологической безопасности для региона Санкт-Петербурга. Результаты работы внедрены при разработке государственного стандарта ГОСТ 12.1.014-84 и комплекса отраслевых стандартов ОСТ 6-16-2367-79, ОСТ 6-16-2446-80 и других. Разработанное программное обеспечение используется во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, в Инженерном центре экологических работ мэрии Санкт-Петербурга, в НИЦЭБ РАН и других организациях.
Апробация работы. Результаты работы апробированы на международных и отечественных конференциях, совещаниях и симпозиумах, в том числе: III Всесоюзный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы. г.Томск, сентябрь 1974 г.; УВсесоюз-
ный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы. г.Томск,
1978 г.; XI совещание "ИНТАБ-85", Москва, 1985 г.; III Всесоюз
ное совещание по распространению лазерного излучения.
г.Обнинск, 1985 г.; IX Всесоюзный симпозиум по лазерному и аку
стическому зондированию атмосферы. г.Туапсе, 1986 г.; Мето
ды и средства контроля загрязнений атмосферы и промышленных
выбросов и их применение, Ленинград, 27-29 октября 1986 г.; VIII
Всесоюзная конференция "Измерения в медицине и их метроло
гическое обеспечение", Москва, 8-11 декабря 1986 г.; Третье
международное совещание по метрологическим аспектам хрома-
тографических измерений. Грузия, г.Сигнахи, 11-18 ноября 1990
г.; Научно-практическая конференция "Методы и технически
средства контроля источников загрязнения и снижения выбросов
в атмосферу". г.Симферополь, 2-6 сентября 1991; Вторая Пе
тербургская международная конференция "Научные и техноло
гические парки", г.Санкт-Петербург, 2-3 ноября 1991 г.; Между
народная конференция "Теория и практика комплексных экологи
ческих экспертиз", Санкт-Петербург, 31 мая-2 июня 1993 г.,; III
Санкт-Петербургская международная конференция
"РЕГИОНАЛЬНАЯ ИНФОРМАТИКА-94", г.Санкт-Петербург, 10-13 мая 1994; Международная конференция "Аэрокосмические методы геологических и экологических исследований" С.Петербург, 30 мая - 4 июня 1994 г.; II Межгосударственная науч-нопрактическая конференция "Методы исследования, паспортизации и переработки отходов" г.Пенза, 7-8 июня 1994 г.; Международная научно-практическая конференция "Проблемы охраны окружающей среды в государствах Содружества" С- Петербург, 1 - 2 марта 1995 г.
По материалам диссертации опубликовано 65 работ. Всего в списке публикаций 135 работ, в том числе 10 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 220 наименований и четырех приложений. Общий объем диссертации 522 с. распределяется на 245 с. основного текста, 29 с. для рисунков, 23 с. для списка литературы, 222 с. приложений.
