Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ транспортной инфраструктуры, направлений и степени ее воздействия на социально-экономическую систему региона в целом и отдельные ее компоненты 10
1.1. Характеристика автомобильного транспорта как источника загрязнения окружающей природной среды 10
1.1.1. Негативное воздействие транспорта на окружающую среду 10
1.1.2. Загрязнение городской атмосферы автотранспортом 13
1.2. Воздействие автотранспортных выбросов на состояние здоровья населения 16
1.3. Здоровье населения как показатель эффективности функционирования социально-экономической системы 16
1.4. Социально-гигиенический мониторинг как инструмент управления состоянием здоровья населения 19
1.4.1. Обзор нормативной базы социально-гигиенического мониторинга 21
1.4.2. Структура и функции социально-гигиенического мониторинга 22
1.4.3. Структурный системный анализ органа государственного управления и IDEF-моделирование 27
1.4.3.1. Модификация структурно-функциональной модели социально-гигиенического мониторинга, обратный инжиниринг. 27
1.4.3.2. Модификация структурно-функциональной модели социально-гигиенического мониторинга. Прямой инжиниринг.
1.5. Обзор и анализ автоматизированных информационных систем в области социально-гигиенического мониторинга 32
1.6. Анализ методов оценки риска здоровью человека от воздействия факторов внешней среды 37
1.7. Выводы и постановка задачи исследования 44
2. Разработка математической модели оценки риска здоровью от автотранспортных выбросов . 46
2.1. Методология оценки риска здоровью от автотранспортных выбросов. 46
2.2. Моделирование и оценка риска здоровью от автотранспортных выбросов. 48
2.2.1. Метод обработки разнородных данных на основе теории нечетких множеств . з
2.2.2. Нечёткая модель оценки риска здоровью от автотранспортных выбросов 51
2.2.2.1. Фаззификация входных данных 54
2.2.2.2. Система нечёткого логического вывода 56
2.2.2.3. Дефаззификация результирующей функции принадлежности вывода из базы правил 56
2.3 Управление рисками на основе данных нечеткого моделирования 57
2.4. Кластеризация областей риска 59
2.4.1. Базовый алгоритм нечетких с-средних 60
2.4.2. Кластеризация без задания количества кластеров. Основные идеи метода горной кластеризации 63
2.5. Выводы по главе 66
3. Система поддержки принятия решений при управлении риском здоровью по результатам социально-гигиенического мониторинга 68
3.1. Структурно-функциональная организация системы поддержки принятия решений. 68
3.2. Математическое обеспечение Сі 11 IP 71
3.3. Разработка ГИС-подсистемы системы поддержки принятия решений для управления риском здоровью
3.3.1. разработка базы данных подсистемы 78
3.3.2. Разработка программной части подсистемы 81
3.4. Выводы по главе 87
4. Реализация нечеткой математической модели оценки риска здоровью и экспериментальная оценка результатов исследований 88
4.1. Оценка величины риска здоровью от автотранспортных выбросов на основе нечёткой иерархической модели 88
4.2. Оценка адекватности полученных результатов 92
4.3. Оценка качественных характеристик управления 97
4.4. Работа ГИС-подсистемы системы поддержки принятия решений при управлении риском здоровью 100
4.5. Выводы по главе 103
Заключение 105
Список использованных источников
- Загрязнение городской атмосферы автотранспортом
- Метод обработки разнородных данных на основе теории нечетких множеств
- Разработка ГИС-подсистемы системы поддержки принятия решений для управления риском здоровью
- Оценка качественных характеристик управления
Введение к работе
Актуальность темы. Регион представляет собой сложную социально-
экономическую систему, включающую такие важнейшие подсистемы, как
социально-демографическую, экономическую, транспортную и другие.
Функционирование региональной социально-экономической системы (СЭС)
определяется характером и качеством связей между ее элементами (подсистемами).
Ключевым элементом, обеспечивающим связь отдельных элементов региональной
системы, является транспортная сеть, обеспечивающая протекание важнейших
социально-экономических процессов и определяющая эффективность
функционирования и темпы роста социальных, экономических и иных показателей региона. Сложность управления региональной СЭС обусловлена высокой динамикой взаимодействия подсистем, значительными объемами разнородных данных большой размерности, обособленностью или избыточностью иерархических связей отдельных подсистем, неравномерностью распределения ресурсов, нечетким заданием критериев оценки рисков, ограниченностью информации о результатах мониторинга с учетом социальных, экономических, экологических и других аспектов. При этом транспортная сеть региона характеризуется распределенной пространственной структурой, в описании которой используются нечеткие показатели.
Выбросы автотранспорта в атмосферный воздух приводят к возрастанию величины риска здоровью населения, снижению вследствие этого производительности труда, увеличению затрат на мероприятия здравоохранения и социального обеспечения, являясь косвенной причиной снижения величины валового внутреннего продукта на душу населения и уменьшения эффективности функционирования региональной системы в целом. Задача оценки степени воздействия автотранспортных выбросов на здоровье населения и выработки управленческих мер, направленных на снижение этого воздействия, входит в функции социально-гигиенического мониторинга (СГМ).
В связи с высокой динамикой изменения концентраций веществ от автотранспортных выбросов в приземном слое атмосферы (из-за малой высоты источника выбросов, слабого рассеивания выбросов, а также при неблагоприятных метеорологических условиях), для обеспечения оперативной обработки данных целесообразно использовать программно-аппаратные комплексы, реализующие геоинформационные технологии в качестве средства сбора, обработки, отображения и интеграции пространственно-координированных данных, а также средства всесторонней поддержки принятия решений с целью повышения качества управления.
В настоящее время автоматизированные информационные системы (АИС) мониторинга негативного воздействия транспортной сети на здоровье населения преимущественно понимаются как расчетно-логические системы оценки риска здоровью. В результате существующие АИС имеют ряд ограничений, не позволяющих обеспечить оперативную и полноценную поддержку принятия управленческих решений по результатам СГМ. Основным недостатком существующих АИС СГМ является ограничение формирования управляющих воздействий. При этом задача выработки управленческих решений возлагается на лицо, принимающее решение (ЛПР).
Вопросами управления рисками посвящены работы Б.Г. Литвака, В.Н. Буркова, Д.А. Новикова, В.А. Акимова, Н.П. Тихомирова, A.M. Дуброва, Б.А. Лагоши. Данные работы являются методологической основой
диссертационной работы, однако в них недостаточно внимания уделено вопросам разработки методов и средств автоматизации обработки разнородных и нечётких данных внешней среды при оценке риска здоровью. Методы и модели обработки нечётких данных рассмотрены в работах Л.А. Заде, А. Кофмана, А. Пегата, Л. Рутковского, Д. Рутковской, М. Пилинского, С.Д. Штовбы и др.
Таким образом, в настоящее время имеет место противоречие, состоящее в том, что, с одной стороны, существует необходимость оперативного управления риском здоровью от выбросов автотранспорта, с другой стороны, существующие методы и средства оценки и управления риском здоровью обладают ограниченными возможностями.
Одним из путей преодоления вышеприведенного противоречия является использование системы автоматизированной обработки данных СГМ в деятельности органов государственной власти.
В связи с этим актуальной является научная задача, заключающаяся в разработке модели, метода, алгоритма и структурно-функциональной организации системы поддержки принятия решений при управлении риском здоровью на основе обработки многомерных нечетких данных социально-гигиенического мониторинга.
Работа выполнена в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники Юго-Западного государственного университета (проект № 1.77.09П/48).
Целью диссертационной работы является повышение обоснованности и оперативности принятия решений по управлению риском здоровью на основе автоматизации процесса мониторинга транспортной структуры региона.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
-
Анализ состояния вопроса управления риском здоровью населения от выбросов автотранспорта на основе обработки нечетких данных социально-гигиенического мониторинга. Выбор и обоснование направлений исследований.
-
Разработка математической модели оценки риска здоровью населения от выбросов автотранспорта, основанной на положениях теории нечеткой логики, а также модифицированного метода кластеризации данных.
-
Разработка алгоритма и структурно-функциональной организации системы поддержки принятия решений для управления риском здоровью, обусловленного выбросами автотранспорта.
-
Экспериментальная оценка результатов исследований.
Объект исследования - система управления риском здоровью населения на основе социально-гигиенического мониторнинга.
Предмет исследования - модель, метод и алгоритм поддержки принятия решений органом государственной власти при управлении риском здоровью населения.
Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель оценки риска здоровью населения, обусловленного выбросами автотранспорта, отличающаяся учетом расширенного набора нечетких данных социально-гигиенического мониторинга и иерархической организацией решающих правил (05.13.10).
-
Модифицированный метод кластеризации автомагистралей по величине риска здоровью, основанный на использовании «горного» метода кластеризации, отличающийся учетом социально-гигиенического статуса территории и
позволяющий объединять территориально распределенные участки автомагистралей в кластеры (05.13.01).
-
Алгоритм обработки нечетких данных социально-гигиенического мониторинга, основанный на системе нечеткого вывода Мамдани и кластеризации автомагистралей по величине риска здоровью, обеспечивающий выработку управляющих воздействий (05.13.01).
-
Структурно-функциональная организация системы поддержки принятия решений органами государственной власти для управления риском здоровью, отличающаяся введением блока нечеткого моделирования, блоков кластеризации и генерации управляющих воздействий, а также связей между ними (05.13.10).
Практическая значимость.
Повышение оперативности поддержки принятия управленческих решений органами государственной власти по результатам СГМ на 25,4% за счёт иерархической организации расширенного набора показателей и обоснованности на 15% за счет учета в процессе оценки риска нечетких параметров.
Возможность получать обоснованную оценку величины риска здоровью, осуществлять кластеризацию автомагистралей региона по величине риска с помощью разработанной математической модели, основанной на обработке разнородных нечетких переменных.
Возможность осуществлять комплексный анализ параметров внешней среды, оценку степени воздействия вредных веществ на здоровье населения, генерацию для лица принимающего решение альтернатив в виде комплекса организационных мер по снижению воздействия автотранспорта на здоровье человека на основе разработанной структурно-функциональной организации системы поддержки принятия решений в процессе управления риском здоровью населения, отличающейся введением блока нечеткого моделирования, что позволяет повысить качество управления риском.
Реализация результатов исследований. Основные научно-технические результаты диссертационного исследования внедрены в практическую деятельность Управления Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзора) по Курской области, а также используются в учебном процессе Юго-Западного государственного университета при изучении дисциплин «Геоинформационные системы», «Социальная информатика», «Системный анализ», «Теория системного анализа и принятия решений».
Соответствие паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.13.10 - «Управление в социальных и экономических системах» по п. 4 области исследования: «Разработка методов и алгоритмов решения задач управления и принятия решений в социальных и экономических системах», п. 6 области исследования: «Разработка и совершенствование методов получения и обработки информации для задач управления социальными и экономическими системами» в части разработки математической модели оценки риска здоровью населения, обусловленного выбросами автотранспорта, и структурно-функциональной организации системы поддержки принятия решений (СППР) для управления транспортной сетью региональной СЭС, а также разработки ее математического и программного обеспечения.
Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации» по п. 4 «Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации» в части разработки модифицированного метода кластеризации автомагистралей по величине риска здоровью и алгоритма обработки нечетких данных, основанного на системе нечеткого вывода Мамдани и кластеризации автомагистралей по величине риска здоровью, обеспечивающего выработку управляющих воздействий, направленных на снижение величины риска.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались,
обсуждались и получили положительную оценку на VIII Международной
конференции «Распознавание - 2008г.» (Курск, 2008 г.); VI Международной
научно-технической конференции «Современные инструментальные системы,
информационные технологии и инновации» (Курск, 2008 г.); X юбилейной
Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность,
надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Ростов-на-Дону, 2008 г.);
Международной молодежной научной конференции XXXV Гагаринские чтения
(Москва, 2009 г.); XVI Всероссийской научно-методической конференции
«Телематика-2009» (Санкт-Петербург, 2009 г.); Всероссийской научно-
практической конференции молодых ученых и специалистов «Приоритетные
направления развития современной Российской науки глазами молодых ученых»
(Рязань, 2009 г.); II Международной научно-практической конференции
«Актуальные проблемы экологии и охраны труда» (Курск, 2010 г.), I Региональной
научно-технической конференции «Информационные системы и технологии»
(Курск, 2012), Региональной научно-практической конференции
«Интеллектуальные информационные системы: тенденции, проблемы, перспективы» (Курск, 2013 г.), IV Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы преподавания математики» (Курск, 2013).
Публикации. Результаты диссертационного исследования отражены в 13 научных работах, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора. Все научные результаты диссертационного исследования получены автором лично. В работах, опубликованных в соавторстве, лично автором проведен анализ воздействия автотранспорта на состояние атмосферного воздуха и здоровье человека и анализ состояния вопроса управления риском здоровью населения от выбросов автотранспорта [1, 6, 8], разработана математическая модель оценки риска здоровью населения от выбросов автотранспорта, основанная на положениях теории нечеткой логики [10], разработаны алгоритм и структурно-функциональная организация системы поддержки принятия решений для управления риском здоровью, обусловленного выбросами автотранспорта [4, 5], разработана архитектура программного обеспечения системы поддержки принятия решений для управления риском в рамках СГМ [7, 9, 12].
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (121 наименование) и приложения. Основная часть диссертации изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 20 рисунков.
Загрязнение городской атмосферы автотранспортом
Известно, что функционирование автомобильного транспорта сопровождается мощным техногенным воздействием на окружающую среду.
По данным статистической отчетности, динамичное ухудшение состояния атмосферного воздуха во многих городах и промышленных центрах России на фоне общего сокращения промышленного производства связано именно с эксплуатацией автотранспорта. Основные виды воздействия транспорта на окружающую среду и природные ресурсы - загрязнение токсичными веществами отработавших газов транспортных двигателей, выбросы вредных веществ в атмосферу от стационарных источников автотранспортных предприятий, загрязнение поверхностных водных объектов, образование отходов и воздействие транспортных шумов. Транспортный комплекс России - один из крупнейших загрязнителей атмосферного воздуха [17, 18, 19, 20, 21, 51].
Автомобильный транспорт, являющийся самым динамичным сектором транспортного комплекса, остается одним из основных источников комплексного негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения. На его долю приходится около 40% общего антропогенного загрязнения атмосферного воздуха, более 90% объема вредных выбросов транспортного комплекса. Автомобильный транспорт является основным источником шумового загрязнения в городах, причиной отчуждения и деградации земли, используемой для стоянки и хранения автомобилей, загрязнения окружающей среды отходами транспортной деятельности [51]. Во многих городах России автотранспорт является основным источником поступления в атмосферу загрязняющих веществ, доля выбросов которого может составлять до 80% от общего количества выбросов в атмосферу (доля автотранспортных выбросов в г. Курске в 2012 году составила 87,5% общего объема выбросов загрязняющих веществ [17]).
Суммарные выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта в атмосферу, несмотря на незначительное снижение объемов выбросов в связи с кризисными явлениями 2008-2010 года, а также значительным пополнением парка автотранспортных средств новыми автомобилями в 2010 году, остаются крайне высокими - в 2010 г. они составили 12,73 млн. т, что составляет примерно 41% от общего выброса загрязняющих веществ всех отраслей экономики [19, 20, 21]. Кроме того, несмотря на снижение величины общего выброса, концентрации основных загрязняющих веществ в атмосфере жилых зон крупных городов продолжают расти.
С каждым годом наблюдается всё больший рост негативного воздействия и всё ощутимее становятся последствия воздействия транспортного комплекса России на окружающую среду урбанизированных территорий. Система транспортной безопасности в свете нового экологического мышления должна предусматривать совокупность действий, минимизирующих прямую (например, через ДТП) или косвенную (например, через химическое или шумовое загрязнение среды обитания) угрозу существования живым организмам [80, 82].
Автомобильный транспорт, играя важнейшую роль в удовлетворении потребностей населения в перевозках, является одним из основных секторов экономики современной России. На рынке транспортных услуг наряду с 6 тысячами специализированных предприятий действует свыше 200 тысяч индивидуальных предпринимателей. Более половины всех грузов на территории России перевозятся автомобильным транспортом. Более 70% пассажиров из числа перевозимых транспортом общего пользования, перевозится автобусами.
При этом среди отраслей транспортного комплекса автомобильный транспорт лидирует по степени возрастающего негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения [30].
Прямым следствием такого неблагополучия стало наблюдаемое ухудшение состояния здоровья населения, причем, в большей степени техногенный «прессинг» наносит удар по наиболее уязвимым группам населения: детям и женщинам детородного возраста, обеспечивающим полноценность генетического фонда нации.
Таким образом, в настоящее время одним из основных источников загрязнения городской воздушной среды является автомобильный транспорт, увеличение численности которого привело к резкому ухудшению санитарных условий проживания в крупных городах России. Выбросы от автотранспортных средств отрицательно воздействуют на физиологическое состояние человека и животных, загрязняют воды, разрушают почвы, растительный покров, строительные материалы, архитектурные и скульптурные памятники, вызывают коррозию металлов и т.д.
К особенностям автотранспорта, влияющим на ухудшение санитарных условий проживания, относятся следующие: 1. Высокие темпы роста численности автомобилей [51] по сравнению с ростом количества стационарных источников выбросов загрязняющих веществ. Особенно следует отметить резкий рост численности индивидуального автотранспорта, в основном, за счет ввоза подержанных автомобилей из-за границы. 2. Пространственная рассредоточенность (автомобили распределяются по территории, занимают до 50% площадей города и создают общий повышенный фон загрязнения). 3. Непосредственная близость к жилым районам. 4. Более высокая токсичность выбросов автотранспорта по сравнению с выбросами стационарных источников [91, 95]. 5. Сложности технической реализации на автомобилях средств защиты от загрязнения окружающей среды [104]. 6. Низкое расположение источника загрязнения от земной поверхности и малая высота выброса, составляющая в среднем 0,5-0,7 м от поверхности земли, в результате чего отработавшие газы автомобилей скапливаются в зоне дыхания людей и слабее рассеиваются ветром [81. 113] по сравнению с промышленными выбросами, которые, как правило, имеют дымовые и вентиляционные трубы значительной высоты [118, 119, 120].
Даже в условиях экономического спада загрязнение природных сред в городах, как показывают наблюдения, не уменьшается. Это связано с особенностями автотранспорта как источника выбросов и сбросов загрязняющих веществ в атмосферу, отличающими их от стационарных (промышленных) источников выбросов [84, 88].
Метод обработки разнородных данных на основе теории нечетких множеств
Оценка риска является частью процесса управления риском и представляет собой структурированный процесс, в рамках которого идентифицируют способы достижения поставленных целей, проводят анализ последствий и вероятности возникновения опасных событий для принятия решения о необходимости обработки риска [2].
Благодаря глубокому исследованию риска его оценка помогает лицам, принимающим решения, и ответственным сторонам влиять на достижение поставленных целей, а также выбирать адекватные и эффективные средства управления риском. Оценка риска является основой для принятия решений по управлению риском. Выходные данные процесса оценки риска являются входными данными процессов принятия решений.
Оценка риска является процессом, объединяющим идентификацию, анализ риска и сравнительную оценку риска. Способ реализации этого процесса зависит не только от области применения процесса менеджмента риска, но также и от методов оценки риска.
Оценка риска может быть выполнена с различной степенью глубины и детализации с использованием одного или нескольких методов разного уровня сложности. Форма оценки и ее выходные данные должны быть совместимы с критериями риска, установленными при определении области применения.
При выборе метода оценки риска необходимо учитывать, что метод должен: - соответствовать рассматриваемой ситуации; - предоставлять результаты в форме, способствующей повышению осведомленности о виде риска и способах управления им; - обеспечивать прослеживаемость, воспроизводимость и верификацию процесса и результатов.
На выбор методики оценки риска также влияет характер и степень неопределенности информации, включающие в себя понимание качества, количества и полноты информации о рассматриваемом риске. Неопределенность может быть связана с неопределенностью данных и недостатком достоверных данных. Она может быть неотъемлемым свойством внешних и внутренних целей и области применения системы управления риском. Доступные данные не всегда обеспечивают достоверную основу для прогнозирования. Для уникальных видов риска могут отсутствовать хронологические данные, а причастные стороны могут по-разному интерпретировать доступные данные о риске. Лица, выполняющие оценку риска, должны понимать тип и характер неопределенности и оценить ее значение для достоверности оценки риска. Необходимо поддерживать постоянный обмен информацией о риске с лицами, принимающими решение.
Методы оценки риска могут быть классифицированы различными способами, что обеспечивает понимание их преимуществ и недостатков. В наиболее общем виде различают феноменологический, детерминистский и вероятностный методы оценки риска.
Феноменологические методы базируются на определении возможности или невозможности возникновения нежелательного события, исходя из результатов анализа необходимых и достаточных условий, связанных с реализацией тех или иных законов природы. Эти методы наиболее просты в применении, однако дают надежные результаты, если рабочие состояния или процессы таковы, что можно достаточным запасом определить состояние компонентов рассматриваемой системы, и надежны лишь вблизи границ резкого изменения состояния веществ и систем. Феноменологические методы хорошо применимы при определении сравнительного потенциала безопасности, но малопригодны для анализа иерархических процессов.
Детерминистские методы предусматривают анализ последовательности этапов развития ситуации, начиная от исходного события через последовательность предполагаемых стадий неблагоприятных событий до установившегося конечного состояния системы. Ход процесса изучается и предсказывается с помощью математического моделирования, построения имитационных моделей и проведения сложных расчетов. Детерминистский подход обеспечивает наглядность и психологическую приемлемость, так как дает возможность выявить основные факторы, определяющие ход процесса. Методы обладают следующими недостатками: существует потенциальная возможность упустить из вида какие-либо важные цепочки событий при развитии аварии; построение достаточно адекватных математических моделей является трудной задачей; для тестирования расчетных программ часто требуется проведение сложных и дорогостоящих экспериментальных исследований.
Вероятностные методы анализа риска предполагают как оценку вероятности возникновения неблагоприятного события, так и расчет относительных вероятностей того или иного пути развития процессов. При этом анализируются разветвленные цепочки событий, выбирается подходящий математический аппарат и оценивается полная вероятность установления окончательного состояния системы. Расчетные математические методы в этом подходе, как правило, можно значительно упростить в сравнении с детерминистскими схемами расчета. Основные ограничения вероятностного анализа безопасности связаны с недостаточностью сведений по функциям распределения параметров, а также недостаточной статистикой по ситуациям. Кроме того, применение упрощенных расчетных схем снижает доверительность получаемых оценок риска. Тем не менее, вероятностные методы в настоящее время считаются одними из наиболее перспективных для применения в будущем [76].
Большинство методов оценки риска относятся к одному из укрупненных методов, описанных выше. Рассмотрим наиболее часто применяемые методы:
Мозговой штурм. Метод мозгового штурма представляет собой обсуждение проблемы группой специалистов в доброжелательной манере, целью которого является идентификация возможных видов отказов и соответствующих опасностей, риска, критериев принятия решений и/или способов обработки риска. Термин «мозговой штурм» часто используют более широко для обозначения любого обсуждения в группе. Однако в процессе классического мозгового штурма применяют специальные методы, когда утверждения одних участников обсуждения способствуют возникновению у остальных участников мозгового штурма новых оригинальных идей.
Метод предполагает стимулирование обсуждения, периодическое направление обсуждения группы в смежные области и обеспечение охвата проблем, выявленных в результате обсуждения.
Разработка ГИС-подсистемы системы поддержки принятия решений для управления риском здоровью
Задача обработки данных социально-гигиенического мониторинга связана с необходимостью обработки больших объемов разнородных данных, поступающих параллельно и непрерывно. Отличительной особенностью данных социально-гигиенического мониторинга является их пространственная привязка. Кроме того, значения многих параметров риска невозможно определить четко. Особенности представления данных СГМ накладывают ограничения на способы их обработки, а их значительный объем и разнородность приводят к увеличению времени на выполнение процедуры анализа риска.
Одним из важнейших факторов, определяющих эффективность системы поддержки принятия решений, является возможность формирования управляющих воздействий для лица, принимающего решение, с возможностью выбора из ряда условно равноэффективных альтернатив [46].
Для повышения оперативности обработки данных социально-гигиенического мониторинга, а также для обеспечения всесторонней поддержки принятия по результатам социально-гигиенического мониторинга управленческих решений, направленных на снижение риска здоровью человека от выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух автотранспортными средствами необходима разработка системы поддержки принятия решений, реализующий положения нечеткой логики для моделирования риска здоровью на основе нечетких данных СГМ, а также использующей геоинформационные системы в качестве средства обработки, хранения и визуализации результатов мониторинга.
Структурно-функциональная организация СППР состоит из: трех подсистем: подсистемы ввода, предназначенной осуществления перевода разнородных данных мониторинга в машинный язык; подсистемы сбора и обработки данных мониторинга, предназначенной для подготовки данных к анализу; ГИС-подсистемы, осуществляющей процесс визуализации результатов анализа; двух блоков: хранения и администрирования, предназначенного для хранения данных и передачи их на анализ; блока нечеткого моделирования, предназначенного для оценки риска здоровью; модуля генерации управляющих воздействий, осуществляющего выработку альтернатив для лица, принимающего решение.
Рассмотрим составляющие СППР подробнее.
1. Подсистема ввода. Представляет собой комплекс автоматических станций контроля состояния атмосферы и набор программных алгоритмов, позволяющих преобразовывать данные автоматических станций и направлять их непосредственно в подсистему сбора и обработки данных мониторинга. При отсутствии возможности автоматической передачи данных, загрузку данный суточного мониторинга в систему сбора и обработки осуществляет оператор вручную.
2. Подсистема сбора и обработки данных мониторинга включает в себя следующие элементы: - внешние оперативные источники данных. Включают в себя данные о параметрах атмосферы, а также данные об интенсивности, скорости, плотности транспортного потока; - внешние базы данных. Включают информацию о параметрах дорожной сети, режимах работы светофорных объектов и знаков с переменным значением, данные об усредненных характеристиках транспортных групп; - Прием и согласование данных. Блок осуществляет прием данных из внешних баз данных и приведение их в соответствие с форматом представления данных подсистемы; - Тематическая обработка данных. Блок осуществляет структурирование данных в соответствие с регламентом, установленным для Хранилища данных, а также производит первичную систематизацию, классификацию и группировку данных.
3. Блок хранения и администрирования включает следующие модули: - система администрирования. Осуществляет обеспечение установленных регламентов доступа к данным; - хранилище данных. Содержит в себе полный комплекс данных социально-гигиенического мониторинга, структурированный в соответствии с тематической направленностью и установленными форматами представления; - витрина данных. Виртуальная база данных или результат запроса к данным, предоставляющий пользователю для работы лишь часть хранилища данных. Необходима для оптимизации информационной нагрузки и соблюдения установленных регламентов доступа к данным.
4. Блок нечеткого моделирования реализует нечеткую математическую модель оценки риска здоровью населения от выбросов автотранспорта в атмосферный воздух и состоит из следующих модулей: - модуль фаззификации. Осуществляет переход к лингвистическим переменным, задание терм-множеств переменных и функций принадлежности; - база знаний содержит базу нечетких правил, определяющих зависимость целевой функции от комбинаций значений лингвистических переменных, представляющих параметры риска; - модуль дефаззификации осуществляет обратный переход от лингвистических переменной, описывающий состояние целевой функции (величины риска), к ее четкому значению. - модуль кластеризации. Осуществляет перерасчет величины риска с учетом социально-гигиенического статуса территории и группировку автомагистралей в условно однородные совокупности по величине риска.
Оценка качественных характеристик управления
При вызове программы на экране появляется заставка программного продукта. По истечении времени загрузки осуществляется визуализация окна главной формы, на которой пользователь видит дерево иерархии, отображающее структуру базы данных. Данный компонент содержит связанные узлы, каждый из которых содержит текст. Любой текст может иметь список подузлов, которые можно раскрывать или закрывать щелчком мыши на пиктограмме узла и соответствующего подузла. Если пользователем выбран какой-либо участок или перекресток, то в окне справа на вкладке «Описание источника» появляется информация о наблюдениях за этим объектом. По двойному щелчку на интересующем наблюдении выводится информация о нагрузках.
Редактирование (изменение, добавление, удаление) информации, хранящейся в базе данных, осуществляется в диалоговом режиме.
Вызов окон диалога реализуется путем выбора соответствующего пункта в контекстном меню, либо с помощью использования стандартных клавиш, либо с помощью панели инструментов.
Каждое окно диалога имеет заголовок, который содержит название осуществляемой с помощью него операции и кнопки управления окном.
Приемы работы с окнами стандартны (перетаскивание окна за его заголовок мышью, закрытие с помощью стандартной кнопки и т. д.) и ничем не отличаются от принятых в других Windows-приложениях. Команды для выполнения многих часто используемых действий (добавления, удаления, изменения объектов) можно вызвать из контекстного меню. Эти меню появляются на экране при нажатии правой кнопки мыши. Состав меню будет разным для различных узлов дерева иерархии и списков просмотра. В нем будут собраны соответствующие данному моменту работы команды.
В системе предусмотрены клавиши-ускорители для часто выполняемых действий. Изменение этих клавиатурных комбинаций невозможно. При нажатии кнопки Расчет, расположенной на панели инструментов, осуществляется выполнение программного кода, обеспечивающего определение выбросов автотранспорта. В качестве исходных данных для расчета используется информация по выделенному в списке Наблюдению участка/перекрестка, а также данные по Нагрузкам, связанным с выделенным Наблюдением. Результаты расчета заносятся в базу данных. На форме информация отображается на вкладке Результаты Расчета в виде таблицы. При работе с подсистемой пользователь интерактивно взаимодействует с картой, которая имеет все возможности, присущие окну Карта в среде Марі nib [62]. При выборе пользователем в базе данных какого-либо объекта изображение карты автоматически центрируется в соответствии с центром выбранного объекта, а масштаб карты изменяется в соответствии с его линейными размерами. В результате расчета на карте города отображаются пятна выбросов загрязняющих веществ, различные цвета которых соответствуют различным уровням загрязнения. Диссертационная работа посвящена решению научной задачи -разработке модели, метода, алгоритма и структурно-функциональной организации системы поддержки принятия решений при управлении риском здоровью на основе обработки многомерных нечетких данных социально-гигиенического мониторинга.
В ходе решения поставленной задачи были получены следующие результаты:
1. Проведен сравнительный анализ существующих методов оценки риска здоровью, на основании которого показано, что для оценки этой величины целесообразно применение моделей, позволяющих осуществлять обработку нечетких данных. На основе анализа автоматизированных информационных систем, предназначенных для поддержки принятия решений органом государственной власти в процессе социально-гигиенического мониторинга, сделан вывод, что для обеспечения процесса управления риском здоровью необходима разработка системы поддержки принятия решений, осуществляющей обработку нечетких данных социально-гигиенического мониторинга с использованием геоинформационных систем в качестве средства визуализации.
2. Разработана математическая модель оценки риска здоровью человека от выбросов автотранспорта, основанная на положениях теории нечеткой логики, отличающаяся учетом расширенного набора нечетких данных социально-гигиенического мониторинга и иерархической организацией правил.
3. Проведена модификация «горного» метода кластеризации автомагистралей по величине риска здоровью, особенностью которой является учет социально-гигиенического статуса территории. На основании моделирования и кластеризации предложен набор правил генерирования управляющих воздействий, направленных на снижение величины риска здоровью населения.
4. Разработан алгоритм обработки нечетких данных социально-гигиенического мониторинга, включающий систему нечеткого логического вывода Мамдани, кластеризацию автомагистралей по величине риска с использованием модифицированного «горного» метода, осуществляющий выработку управляющих воздействий.
5. Разработана структурно-функциональная организация системы поддержки принятия решений органами государственной власти для управления риском здоровью, особенностью которой является введение блока нечеткого моделирования и модулей кластеризации и визуализации. Система поддержки принятия решений для управления риском здоровью осуществляет автоматизированную обработку разнородных данных социально-гигиенического мониторинга, отличительной особенностью которой является выработка управляющих воздействий по его результатам.
Проведена экспериментальная оценка риска здоровью на автомагистралях г. Курска и проверка адекватности разработанной математической модели, в результате оценки выявлено, что среднее отклонение расчетных и эмпирических значений величин рисков составляет 8.08% , что подтверждает адекватность разработанной модели. На основании обработки экспертных оценок установлено, что применение разработанной системы увеличивает обоснованность принимаемых управленческих решений на 15%, а их оперативность повышается на 25,4% за счёт иерархической организации расширенного набора показателей.
