Подход к построению модуля идентификации экологической ситуации, предназначенного для функционирования в системе экологического мониторинга.

Г.С. Вересников
Должность,
Аспирант
Москва

В процессе экологического мониторинга потенциально опасных объектов важной задачей является своевременное распознавание сложившейся экологической ситуации, и применение адекватных мер по ее разрешению. В связи с этим, актуальным направлением научных исследований является разработка подходов к построению модуля, предназначенного для идентификации экологических ситуаций. Информация, полученная в результате работы этого модуля, используется для поддержки оператора, принимающего решения.

Данный модуль представляет собой формальную конструкцию, на вход которой подается вектор (,,…). На выходе должно быть получено закодированное значение, с помощью которого можно отнести входной вектор к заданному классу, характеризующему сложившуюся экологическую ситуацию. Здесь  - текущий момент времени,  - период ретроспекции. Каждый  элемент представляет собой вектор экологических и метеорологических параметров, измеряемых в процессе экологического мониторинга.

На выходе модуля должны быть получены значения, по которым можно оценить следующие характеристики сложившейся экологической ситуации:

-      уровень опасности;

-      тип опасности (нанесение ущерба здоровью населения, загрязнение водных ресурсов и т.д.);

-      тип нештатной или аварийной ситуации;

-      место возникновения нештатной или аварийной ситуации.

Для каждого из перечисленных пунктов необходимо построение отображения множества входных векторов, во множество классов, характеризующих возможные экологические ситуации. Для построения  этих отображений предлагается использовать алгоритмы, для работы которых требуется только набор эмпирических данных, в достаточной мере характеризующий все возможные экологические ситуации, которые могут возникнуть на объекте мониторинга. Такими алгоритмами являются нейронные сети, метод группового учета аргументов (МГУА), деревья решений.

Для формирования обучающей выборки предлагается моделирование всевозможных нештатных ситуаций на объекте мониторинга и расчет соответствующих концентраций вредных веществ в точках контроля, с помощью существующих методик распространения вредных веществ.

Основные трудности возникают на этапе подготовки обучающей выборки. При подборе данных для обучения необходимо составить выборку, которая как можно более полно будет выражать все возможные экологические ситуации. Системы экологического мониторинга характеризуются недостаточным количеством накопленной информации о нештатных и аварийных ситуациях. Данные ситуации либо вообще не возникают в силу их малой вероятности, либо очень редки и измеренной информации недостаточно для построения репрезентативной выборки. В связи с этим необходимы методы получения дополнительной информации о тех ситуациях, которые могут возникнуть на объекте мониторинга. Предлагается два подхода получения недостающих данных.

Получить недостающие данные можно посредством оценки смоделированной ситуации экспертами. Подход, когда на основе опыта и интуиции высоко квалифицированных специалистов-экспертов извлекается информация о потенциально возможных ситуациях, широко распространен в задачах экологического мониторинга. Как показывает практика, применение нейронных сетей, МГУА, деревьев решений при разработке сложных экспертных систем приводит к уменьшению требуемого количества правил вывода и к снижению трудоемкости разработки. Это обусловлено тем, что для построения правил с помощью данных алгоритмов, нужен только набор эмпирических данных, в достаточной мере отражающий зависимости, которые необходимо найти.

Однако задача сопоставления наборов экологических и метеорологических параметров заранее определенным классам для каждой точки контроля будет не только трудоемкой, но может оказаться невыполнимой в силу невозможности учета экспертами большого количества факторов.

В качестве альтернативного способа получения недостающей информации для формирования обучающей выборки предлагается моделирование всевозможных нештатных ситуаций на объекте мониторинга.

Нештатная ситуация характеризуется:

-      набором вредных веществ, которые могут быть выброшены в атмосферу;

-      диапазонами, в которых возможно изменение уровня выброса вредных веществ;

-      возможными условиями, в которых будет происходить развитие нештатной ситуации.

Нередко, когда предприятие представляет серьезную экологическую опасность, создается документ, содержащий описание потенциальных нештатных и аварийных ситуаций. В документе для каждой такой ситуации указывается перечень выбрасываемых вредных веществ, а для каждого вещества – минимальный и максимальный уровень выбросов в атмосферу, который возможен в случае ее возникновения. Если данного документа нет, то он может быть сформирован на основе имеющихся сведений о технологических процессах, происходящих на объекте мониторинга с помощью экспертов.

Если известен потенциальный уровень выбросов по каждой нештатной ситуации, концентрации вредных веществ, измеряемые в точках контроля, могут быть определены на основе существующих методик расчета концентраций вредных веществ.

Варьируя количество каждого вещества, выбрасываемое в атмосферу между минимальным и максимальным значением, а также параметры, отражающие внешние условия, можно сформировать и сопоставить каждой экологической ситуации вектора, которые характеризуют всевозможные варианты возникновения экологической ситуации.

На основе этих векторов, могут быть рассчитаны концентрации вредных веществ, которые будут измерены в каждой точке контроля. Результатом являются вектора, которые состоят из концентраций вредных веществ и параметров окружающей среды. Данные вектора отражают те данные, которые будут получены при измерении в точках контроля, в случае возникновения потенциально возможных нештатных или аварийных ситуаций. То есть каждой точке контроля для каждой нештатной или аварийной ситуации будет сопоставлен некоторый набор векторов экологических и метеорологических параметров.

Таким образом, процесс получения недостающих данных состоит из следующих этапов:

1.       Формирование списка возможных экологических ситуаций с перечнем диапазонов выбрасываемых вредных веществ для каждой из них. Определение дополнительных наборов классов, характеризующих экологические ситуации.

1.       Формирование исходных векторов, путем варьирования для каждой экологической ситуации уровней выброса и характеризующих его параметров в заданных диапазонах.

2.       Расчет концентраций в точках контроля для каждого из сформированных векторов.

3.       Формирование пар вида: <(,,…); класс, характеризующий экологическую ситуацию>.

В зависимости от типа источника выброса используются различные математические модели для расчета распространения вредных веществ в воздухе. Источники распространения вредных веществ в зависимости от продолжительности выброса делятся на мгновенные и непрерывные источники, в зависимости от типа источника – на точечные и линейные/площадные распределенные источники.

Единственным официальным документом, позволяющим производить расчет распределения концентраций в приземном слое атмосферы в зависимости от условий окружающей среды, является «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий ОНД-86» [2]. Нормы предназначены для расчета приземных концентраций в двухметровом слое над поверхностью земли, а так же вертикального распределения концентраций от точечных, линейно и пространственно распределенных источников.

Недостатком данной методики является то, что она предназначена для расчета значений концентраций при постоянном источнике выброса, без учета распространения вредных веществ во времени. Т.е. измерив в точке контроля значения концентраций в период их роста, мы не можем сопоставить уровень выброса, характеризующийся концентрациями, рассчитанными по методике [2]. Это связано с тем, что неизвестно, является измеренная концентрация устоявшейся или будет продолжать увеличиваться. Кроме того, данная методика не может быть использована для решения задачи идентификации экологической ситуации в общем виде, когда класс, характеризующий экологическую ситуацию, определяется на основе истории изменения вектора экологических и метеорологических параметров во времени. Данной методикой можно воспользоваться, если изменение концентрации является на заданном промежутке времени  стационарным процессом. Для данного частного случая в качестве входа модуля, предназначенного для идентификации экологических ситуаций, будет выступать вектор экологических и метеорологических параметров за текущий период времени.

Опишем этот частный случай подробнее. На первом этапе получения недостающих данных происходит формирование списка аварийных ситуаций, которые могут иметь место и определение для них возможного уровня выбросов. Такой список для каждой аварийной ситуации будет содержать: место возникновения нештатной ситуации (исключается, если источники выбросов не распределены территориально); массу вредного вещества, выбрасываемого в единицу времени; высоту источника; диаметр устья выброса, среднюю скорость выхода газовоздушной смеси, температуру газовоздушной смеси.  Пример фрагмента такого списка показан в таблице № 1.

Таблица №1

Описание аварийных ситуаций

 

Описание нештатной ситуации

Место возникновения нештатной ситуации

Масса вредного вещества

 

Диаметр устья      выброса

(м)

Скорость выхода смеси,

(м/с)

Высота

источника,

(м)

Ситуация 1

Место 1

 

СО:

1,2 ПДВ-2,4 ПДВ

СН:

2,4 ПДВ-3 ПДВ

0,5

5

15 м.

Ситуация 2

Место 5

NO:

2,3 ПДВ-3,4 ПДВ

СО:

1,2 ПДВ-2,4 ПДВ

СН:

2,4 ПДВ-3 ПДВ

0,5

5

2 м.

…

…

…

 

…

…

 

 

На третьем этапе происходит формирование исходных векторов, путем варьирования для каждой экологической ситуации уровней выброса и характеризующих его параметров в заданных диапазонах. Перечислим параметры, которые с наибольшей вероятностью будут подвержены варьированию. Во-первых, значения выбросов вредных веществ варьируются в допустимых пределах с определенным шагом. Во-вторых, варьируются направление и скорость ветра. В качестве направления ветра будем использовать отклонение его вектора от оси факела, необходимое в расчетах приземных концентраций.  Факел распространения вредных веществ является симметричным относительно его оси. В связи с этим, предлагается в качестве входного параметра, отражающего отклонение направления ветра от вектора, соединяющего точку выброса и точку контроля, подавать модуль этого отклонения. Это позволит сократить число обучающих параметров. В-третьих, варьируется температура окружающей среды в пределах, характерных для региона, в котором расположен объект мониторинга. В случае необходимости могут варьироваться другие параметры.

На третьем этапе для каждой нештатной ситуации рассчитываются значения приземных концентраций вредных веществ на основе документа [2]. Расчет производится для каждой точки контроля в отдельности, так как каждая точка контроля характеризуется расположением относительно потенциального источника выбросов и рельефом разделяющей их местности. На рисунке 2 приведено изображение факела распространения вредных веществ от точечного непрерывного источника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1. Факел распространения вредных веществ

 

После расчета концентраций, формируется пары вида <; класс, характеризующий экологическую ситуацию>, которые используются в качестве обучающей выборки для обучения нейронных сетей, построения деревьев решений и уравнений МГУА, реализующих логические правила, предназначенные для идентификации сложившейся экологической ситуации.

Если требуется идентифицировать экологическую ситуацию на основе анализа динамики распространения вредных веществ в атмосфере, используются трехмерные модели переноса и диффузии примеси и их упрощенные варианты [4, 5, 6], основанные на решении начально-краевой задачи для трехмерного уравнения параболического типа.

Работы по совершенствованию моделей распространения загрязнений в атмосфере продолжаются до сих пор. Создаются новые модели, уточняются уже существующие, разрабатываются инструменты моделирования. Возможно, что использование последних разработок, позволит получить более точные результаты. В качестве примера можно привести работы [1] и [3].

В результате выполнения всех описанных выше этапов для каждого класса, характеризующего экологическую ситуацию, формируется совокупность наборов векторов экологических и метеорологических параметров, по которым можно будет его идентифицировать. Полученные данные используются для построения логических правил, модуля идентификации экологической ситуации.

Таким образом, в статье рассмотрен подход к построению модуля, предназначенного для идентификации экологических ситуаций, который способен повысить эффективность управления объектом мониторинга.

 

Литература

4.       Закарин Э.А., Миркаримова Б.М. Математическое моделирование загрязнения атмосферы города на основе ГИС. // Известия РАН ФАО, 2000, т. 36, № 3.

5.       Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий, ОНД-86. // Л.- 1987.- 140 с.

6.       Hartwich E. G.  Fugacity superposition: a new approach to dynamic multimedia fate modeling // Chemosphere. , 2001 . 44, № 4 .- Pp. 843-853.

7.       Yoshida A. Two-dimensional numerical simulation of thermal structure of urban polluted atmosphere (effects of aerosol characteristics) // Atmos. Env., 1991. V. 25B. N. 1. Рp. 17-23.

8.       Bianconi R., Tamponi M. A mathematical model of diffusion from a steady source of short duration in a finite mixing layer. // Atmos.Env., 1993. V. 27A. N. 5, Рp. 781-792.

9.       Chrysikopoulos C.V., Hildmann L.M., Roberts P.V. A three-dimensional steady-state atmospheric dispersion-deposition model for emission from a ground-level area source. // Atmos. Env., 1992. V. 26A. N.5. Рp. 747-757.