Д. т. н. Козуля Т.В., студ. Белова М.А.

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина

Система экологического мониторинга с элементами компараторной идентификации для различных уровней исследования

Согласно государственной Концепции экологической политики Украины актуальной задачей исследований в области экологического мониторинга является разработка информационной и методической базы комплексной экологической оценки природно-техногенных систем.

Исследования в данной области должны учитывать единство трех аспектов устойчивого эколого-социльно-экономического развития с приоритетностью задач повышения качества окружающей природной среды (ОПС) и безопасности жизни людей [1]. Основное внимание при этом должно акцентироваться на моделировании природных и социально-экономических процессов, позволяющих говорить о динамике изучаемых объектов и выявлять механизмы регулирования гармоничного социально-эколого-экономического развития. В связи с этим в работе предложены результаты по разработке методологии структурно-параметрической идентификации, которая на основе представленных моделей скалярного многофакторного оценивания состояния объектов ОПС и общества позволяет информационно адекватно представлять динамику и последствия внедрения концепции устойчивого развития (УР).

Цель работы заключается в формировании методического обеспечения комплексной системы экологического мониторинга сложных системных объектов с использованием элементов компараторной идентификации, практическое применение данной разработки на различных уровнях исследования. В соответствии с этим поставлены и решены следующие задачи:

1) определить основные положения методики оценки экологического качества сложных систем с использованием элементов компараторной идентификации;

2) разработать алгоритмическое обеспечение реализации методики;

3) дать анализ практического применения предоставленной методики для определения экологических рейтингов стран мира, областей Украины, наиболее опасных промышленных объектов Харьковской области;

4) определить эффективность внедрения компараторной идентификации для разработки системы оценки состояния сложных экологических систем на глобальном, региональном, локальном уровнях исследования.

Решение задачи исследования и анализ результатов. В настоящее время наиболее признанной в сфере экологических исследований по концепции УР является модель, разработанная Институтом прикладного системного анализа НАН Украины и МОН Украины на основе индексной оценки уровня экологичности систем [1]. Согласно данной модели, основной характеристикой УР является индекс устойчивого развития, который определяется как аддитивная оценка индексов развития экономической, социальной и экологической систем с учетом их весомости в общем состоянии объекта исследования, но без рассмотрения взаимовлияния составляющих в формировании целостного объекта. Последнее определяет необходимость в проведении многофакторного анализа сложных систем, что делает решение задачи громоздким. Для создания универсального методического обеспечения оценки экологичности объектов природно-техногенного происхождения было предложено обратиться к теории компараторной идентификации [2].

Метод компараторной идентификации позволяет отказаться от структуризации задачи и выполнения последовательности промежуточных оценок, дающих накопление погрешностей, заменив их анализом (сравнением) ситуации, как целого. Характерной чертой метода является сравнение заданного результата измерения с эталоном по определенной шкале состояния для отдельной рассматриваемой системы. Для фиксированного выбирается одно эталонное значение параметра минимальное или максимальное его значение среди всех предложенных значений в зависимости от физического смысла каждого из параметров. Общее количество эталонных значений будет составлять .

Физический смысл каждого из параметров различен, в виду чего появляется необходимость в их нормировании. Оно заключается в сравнении свойства системы с его эталонным значением и нахождении частного в виде:

(1)

Результаты нормирования для характеристики состояния системы определены как: – оптимальное, и – неудовлетворительное, характеризующиеся уровнем отклонения от предоставленных требований экологического развития или эталонного значения, на единицу вариабельности:

(2)

Оптимальным считается значение 0, в работе (согласно имеющимся публикациям) допустимым принято отклонение на 20% [3], тогда при анализе данных выбирают значения такие, что попадают в интервал (рис. 1).

251659264

Рисунок 1 – Схема алгоритма оценки рейтинга экологическим компаратором

Предложенную методику компараторной идентификации для экологической оценки системных объектов можно использовать для определения рейтинга исследуемых объектов по их состоянию. Для некоторой совокупности объектов общим количеством , каждый из которых характеризуется определенными параметрами, указано состояние соответственно принятому начальному состоянию : . Для примера определим рейтинг стран в соответствии с достижением ими экологического устойчивого развития: – Болгария, – Ирландия, – Венгрия, – Финляндия, – Чили. Для этого рассмотрены следующие показатели экологичности для стран: – прирост населения; – количество телефонов на 100 жителей; – детская смертность; – совокупный процент грамотности населения; – ожидаемая длина жизни в годах [1]. Таким образом, совокупность объектов имеет вид: ; ; ; ; . Учитывая, что , , , должны быть максимальными, а – минимальным, для исследуемых объектов вектор эталонных значений имеет вид: . Результаты нормирования согласно (2) равны .

Для конкретного объекта отклонения параметров от эталонных значений равны или больше нуля на 20% – объект не требует внешнего управления. При отклонении хотя бы одного параметра более величины ограничения определяют регулирование для достижения соответствия требованиям экологической безопасности [4, 5]. Результаты компараторной идентификации имеют вид:

(3)

Из (3) видно, что среди рассмотренных стран отсутствуют с оптимальным экологическим уровнем. На первое место рейтинга предлагается поместить объект, для которого наибольшее количество характеристик принимает значение 1. Формируется новая выборка объектов, которая не включает в себя вышеназванный объект. Расчеты проводятся аналогично, начиная с поиска эталонных значений параметров. Таким образом, проводится размещение рассматриваемых объектов в определенной последовательности по значениям экологических отклонений (рис. 1). На первое место рейтинга в соответствии с оценкой (3) будет размещен объект, для которого сумма отклонений будет наименьшей – Финляндия. Окончательный рейтинг имеет вид: 1 – Финляндия, 2 – Ирландия, 3 – Чили, 4 – Венгрия, 5 – Болгария.

Сравним результаты устойчивого развития для 113 стран, полученными М. Згуровским в работе [1], Финляндия занимает первую строчку рейтинга, Ирландия находится на 9-м месте, Чили – на 20-м, Венгрия – на 30-м, Болгария - на 39-м. Таким образом, в рамках рейтинга из пяти выбранных стран результаты обеих методик близки.

Предложенная методика для оценки экологического качества сложных систем реализована на региональном уровне исследования (рис. 1). В работе даны результаты рейтинга 25 областей Украины по экологичности их состояния. Анализ выполнен по девяти параметрам: Прирост населения за последний год, рождаемость, количество умерших в возрасте до одного года, средняя заработная плата, количество безработных трудоспособного возраста, реализованная промышленная продукция, млн. грн, выбросы загрязняющих веществ, тыс. тонн, образовано отходов, тыс. тонн, утилизировано отходов, тыс. тонн [5]. По формулам (1, 2) и алгоритму (рис. 1) проведены рейтинговые расчеты, что позволило установить такую последовательность состояний областей по уровню экологичности: 1. Киевская, 2. Волынская, 3. Автономная Республика Крым 4. Ивано-Франковская 5. Закарпатская 6. Ровенская 7. Черновицкая 8. Запорожская 9. Полтавская, 10. Сумская, 11. Николаевская, 12. Кировоградская 13. Житомирская, 14. Тернопольская, 15. Донецкая, 16. Днепропетровская, 17. Харьковская, 18. Херсонская, 19. Луганская, 20. Львовская, 21. Черниговская, 22. Хмельницкая, 23. Черкасская, 24. Одесская, 25. Винницкая. Результаты рейтинга совпадают с оценкой состояния экологической безопасности областей Украины по трем классам опасности, установленным по интегральному показателю риска (первые 8 мест рейтинга более 50% имеют низкую оценку риска, а с 9 позиции преобладает высокий и средний риск) [6].

Согласно предложенной методике оценки экологического соответствия установлено рейтинг опасных локальных промышленных объектов Харьковской области: ОАО «ЕВРОЦЕМЕНТ-УКРАИНА», филиал «Теплоэлектроцентраль» ООО «ДВ навтогазовидобування», ОАО «Харьковская ТЭЦ-5», Змиевская ТЭС ОАО «Центрэнерго», по количеству 8 ингредиентов выбросов в тоннах в год: металлы и их соединения, вещества в виде взвешенных твердых частиц, соединения азота, диоксид и другие соединения серы, оксид углерода, метан, неметановые летучие органические соединения, диоксид углерода [7]. Рейтинг по экологичности состояния, полученный после проведения расчетов: 1. Змиевская ТЭС ОАО «Центрэнерго» 2. Филиал «Теплоэлектроцентраль» ООО «ДВ нафтогазовидобування» 3. ПАО «Харьковская ТЭЦ-5» 4. ПАО «ЕВРОЦЕМЕНТ-УКРАИНА», что соответствует официальной оценке, данной в «Докладе о состоянии окружающей природной среды в Харьковской области в 2012 году» [7].

Основные результаты и выводы. В данной работе предложен новый подход к экологической оценке состояния объектов окружающей среды на основе теории компараторной идентификации. Показана работоспособность такой методики определения экологичности состояния сложных системных объектов на глобальном, региональном и локальном уровнях организации (рис. 1) – определение рейтинга устойчивого развития стран мира, регионов, промышленных объектов. Установлено, что наиболее адекватными являются результаты, полученные при применении методики для оценки объектов глобального уровня исследования, с последующим уменьшением точности результатов к локальному уровню исследования. Особое влияние на точность результатов оказывает количество исследуемых параметров – их увеличение позволяет скорректировать полученные результаты и повысить уровень точности. Детализация исследования на локальном уровне несколько затрудняет расчеты, требуя учета каждой из характеристик объекта, а также принятие во внимание всех существующих между ними взаимозависимостей.

Таким образом, в работе получены такие научно-практические результаты:

1) с целью совершенствования методов анализа при решении задач УР предложена методика оценки уровня экологичности системных объектов с элементами теории компараторной идентификации (формулы (1-2), рис. 1);

2) получены рейтинги стран, областей Украины и промышленных объектов Харьковской обл. по оценке социально-экологического состояния, установлено соответствие результатов данным официальным и других научных работ;

3) подтверждена эффективность введения компараторной идентификации для разработки системы оценки состояния сложных природно-техногенных и социально-эколого-экономических систем на различных уровнях исследования;

4) определены пути повышения точности практических результатов методики.

Литература:

1. Згуровский М. З. Глобальное моделирование процессов устойчивого развития в контексте качества и безопасности жизни людей / М. З. Згуровский, А. Д. Гвишиани. – К.: Політехніка, 2008. – 331 c.

2. Петров К. Э. Компараторная идентификация модели формирования индекса устойчивого развития / К. Э. Петров // Системні дослідження та інформаційні технології. – 2009. – №1. – С. 36–46.

3. Машина Н. І. Економічний ризик і методи його вимірювання / Н. І. Машина. – К.: Центр навчальної літератури , 2003. – 188 с.

4. Бондаренко М. Ф. Про загальну теорію компараторної ідентифікації / М. Ф. Бондаренко, С. Ю. Шабанов-Кушнаренко, Ю. П. Шабанов-Кушнаренко //Біоніка інтелекту: наук.-техн. журнал. – 2008. – № 2 (69). – С. 13–22.

5. Государственная служба статистики Украины – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.ukrstat.gov.ua/.

6. Качинский А. Б. Экологическая безопасность Украины: системный анализ перспектив улучшения /A. Б. Качинский. – K.:Екологічна безпека, 2001. – 251 с.

7. Доповідь про стан навколишнього природнього середовища у Харківській області у 2012 році – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.menr.gov.ua/docs/activity-dopovidi/regionalni/rehionalni-dopovidi-u-2012-rotsi/kharkivska_2012.pdf.