НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

СОКОЛОВСЬКА АЛІСА БОРИСІВНА

УДК 551.509.519.6:517.9

АВТОМАТИЗОВАНА ІНФОРМАЦІЙНА СИСТЕМА

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОНТРОЛЮ ЕКОЛОГІЧНИХ

ВОДОНЕБЕЗПЕЧНИХ ПРОЦЕСІВ

05.13.06 - автоматизовані системи управління

та прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті прикладного системного аналізу Міністерства освіти та науки України і НАН України Національного технічного університету України “КПІ”

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Панкратова Наталія Дмитрівна,

Інститут прикладного системного аналізу

Міністерства освіти та науки України і НАН України,

заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: чл.-кор. НАН України,

доктор фіз.-матем. наук, професор

Скопецький Василь Васильович,

Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова

НАН України, завідувач відділом

доктор технічних наук, професор

Гриша Сергій Миколайович,

НТУУ “КПІ”, професор кафедри автоматизованих

систем обробки інформації і управління

Ведуча організація: Інститут космічних досліджень

НАН України і НКА України

Захист відбудеться 20 травня 2002 р. о 1500 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Національного технічного університету України “КПІ”.

03056, Київ, проспект Перемоги, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ”.

Автореферат розісланий 17 квітня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук І.І. Коваленко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Серед стихійних лих, відомих людству з перших років його існування, одними із найкатастрофічніших і найпоширеніших у багатьох регіонах світу є екологічні водонебезпечні процеси: повені, зсуви, підтоплення та ін. Актуальність і важливість досліджень таких процесів визначається розмірами збитків від екологічних водонебезпечних катастроф, зокрема, від повеней. Протягом ХХ століття у світі було понад 80 великих повеней, від яких загинуло понад 6 млн. чоловік і залишилося без даху близько 30 млн. чоловік. Істотних збитків завдають також зсуви, підтоплення, обвали та інші водонебезпечні процеси.

Для України практична необхідність вивчення водонебезпечних процесів визначається погіршенням екологічних умов проживання і трудової діяльності населення у визначених регіонах України: зсуви в Дніпропетровську, Криму, Києві, Закарпатті, Прикарпатті та ін., підтоплення територій у Харкові, Донецьку, регіонах Західної України та ін., кількаразові повені в регіонах Карпат і Закарпаття.

Питанням аналізу, оцінювання і прогнозування різних видів водонебезпечних процесів та їхніх наслідків, прогнозу опадів і погоди присвячені праці багатьох учених різних країн світу. Серед них слід відзначити роботи П.Н. Бєлова, Я. Биєркнеса, Е.Н. Блинової, Н.І. Булєєва, І.А. Кибеля, Н.Е. Кочина, Ю.П. Лукашина, Г.І. Марчука, Е. Найтинга, А.М. Обухова, Р. Ричардсона, К. Россби і багатьох інших.

Проведений аналіз робіт з розглянутої тематики показує: практичні проблеми моніторингу і контролю водонебезпечних процесів залишаються актуальними для багатьох країн світу і масштаби їхніх досліджень продовжують збільшуватися; найбільш важливими і складними залишаються проблеми підвищення вірогідності та своєчасності інформаційного забезпечення процесів формування й обґрунтування рішень у динаміці екологічних ситуацій; найменш дослідженими є задачі системного аналізу й прогнозування динаміки водонебезпечних процесів. Існуючий методологічний і математичний апарат системи інформаційного забезпечення контролю екологічних водонебезпечних процесів не повною мірою відповідає сучасним вимогам вірогідності прогнозування динаміки цих процесів, не дозволяє відновити пропущені дані спостережень у динаміці моніторингу екологічних процесів, не враховує розподіл причин і наслідків водонебезпечних процесів у просторі й часі.

Звідси випливає практична необхідність удосконалення інформаційного забезпечення управління і контролю екологічної обстановки як необхідної умови підвищення ефективності заходів щодо попередження й запобігання екологічним катастрофам і зменшення їх небажаних наслідків. Тому практично важливим і актуальним завданням є удосконалення інформаційного забезпечення контролю екологічної обстановки на основі розробки математичного апарату, що гарантує необхідний рівень вірогідності та своєчасності оцінки і прогнозу динаміки водонебезпечних процесів з урахуванням їх властивостей і особливостей, відновлення пропущених даних спостережень у їх динаміці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану держбюджетних робіт і тем Міністерства освіти та науки України (“Розробка та впровадження інформаційних технологій моніторингу складних систем та об’єктів на основі методології системного аналізу” (рег. № 0100U002605)), програми “Граніт” (“Розробка науково-методичних основ системи прогнозування генетичного ризику впровадження нових технологій і забруднення навколишнього середовища” (рег. № 080901UР0001)).

Мета й основні задачі дослідження. Метою дисертації є розробка інструментальних засобів автоматизованої системи інформаційного забезпечення контролю екологічних водонебезпечних процесів у реальному масштабі часу на основі сучасних інформаційних технологій. Дана система розглядається як складова частина системи інформаційного забезпечення управління і контролю екологічної обстановки. Основні задачі дослідження визначаються необхідністю удосконалення системи інформаційного забезпечення контролю водонебезпечних процесів.

Для досягнення мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі:

1. запропонувати структуру й інструментальні засоби автоматизованої інформаційної системи моніторингу, системного аналізу і прогнозу динаміки водонебезпечних процесів;

2. розробити математичні моделі оцінювання і прогнозу динаміки водонебезпечних процесів, відновлення пропущених даних у статистичній вибірці вимірів;

3. розробити алгоритми й програмне забезпечення оцінювання і прогнозу динаміки екологічних водонебезпечних процесів, відновлення пропущених даних у статистичній вибірці;

4. розробити програмне забезпечення вимірювальної системи формування первинної інформації в динаміці моніторингу водонебезпечних процесів.

Наукова новизна отриманих результатів. В процесі вирішення задач відповідно до мети роботи вперше отримано такі результати:

запропоновано системний підхід до оцінювання і прогнозу динаміки водонебезпечних процесів на основі єдиної стратегії взаємного узгодження моніторингу й контролю водонебезпечних процесів;

розроблено й обґрунтовано ієрархічну структуру системи інформаційного забезпечення управління і контролю екологічної обстановки;

розроблено структуру й інструментальні засоби автоматизованої інформаційної системи моніторингу, системного аналізу і прогнозу екологічних водонебезпечних процесів;

розроблено базову модель динаміки водонебезпечних процесів, що дозволяє отримати якісні переваги в порівнянні уже відомими підходами: уніфікувати обчислювальні процедури при вирішенні основних задач аналізу і прогнозу водонебезпечних процесів; істотно скоротити тимчасові витрати на рішення різних практичних задач;

побудовано на основі базової моделі наступні математичні моделі: оцінювання динаміки швидко і повільно осцилюючих процесів; короткострокового і довгострокового прогнозу динаміки процесів; відновлення в статистичній вибірці тимчасового ряду пропущених даних;

визначено на основі обчислювальних експериментів кількісні характеристики моделей динаміки водонебезпечних процесів.

Практична цінність отриманих результатів. Практична значимість отриманих результатів полягає в наступному:

розроблені структура й інструментарій автоматизованої системи моніторингу, системного аналізу і прогнозування екологічних водонебезпечних процесів відкривають можливість забезпечувати своєчасне та достовірне прогнозування термінів появи і масштаби наслідків критичних водонебезпечних ситуацій, вчасно формувати рішення для запобігання і мінімізації збитків від впливу цих процесів;

розроблені моделі дозволяють аналізувати властивості водонебезпечних процесів у динаміці розвитку в довільний період часу, здійснювати короткострокові та довгострокові прогнозування динаміки процесів і відновлювати пропущені дані в статистичній вибірці;

реалізований у середовищі Borland Delphi 5.0 пакет прикладних програм прогнозування динаміки водонебезпечних процесів дозволяє в своєчасно здійснювати системне оцінювання і прогнозування динаміки процесів, виконувати відновлення пропущених даних вибірки;

розроблена програма моніторингу дозволяє здійснювати безупинний контроль за станом об'єкта досліджень, одержувати й обробляти первинну інформацію і забезпечувати поточною інформацією центри контролю;

розроблено моделі динаміки водонебезпечних процесів і пакет прикладних програм використовувалися для відновлення пропущених даних, оцінювання і прогнозування опадів у ряді районів Західної України;

розроблена програма “Sensor” для автоматизованої інформаційної системи моніторингу, системного аналізу і прогнозу екологічних водонебезпечних процесів впроваджена в Криму для оцінки динаміки зсувних процесів в околиці Ливадійського палацу.

Особистий внесок автора. Усі результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В роботах, що виконані в співавторстві, в [1,6] дисертантом запропоновані постановка задачі й розробка математичних моделей оцінювання і прогнозу динаміки водонебезпечних процесів, відновлення пропущених даних у статистичній вибірці тимчасового ряду, що реалізовані в обчислювальному алгоритмі і в пакеті прикладних програм. В роботі [2] автору належить ідея і реалізація модифікації програми "ZSUV" з доповненням її блоком "SENSOR" розрахунку зсувів з урахуванням ґрунтових вод. В роботі [3] автором виконана розробка математичної моделі системи моніторингу і програми "SENSOR". В роботах [4,5] дисертанту належать результати обробки й аналізу експериментального тестування програми "SENSOR".

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи представлені, повідомлені й одержали схвалення на таких міжнародних і національних науково-практичних конференціях: Міжнародна науково-практична конференція “Вплив повеней та зсувних процесів на функціонування магістральних нафтогазопроводів, залізниць, автошляхів та електромереж. Екологічна безпека та перспективи розвитку трубопровідного транспорту, інших інженерних комунікацій” (24-28 квітня 2000 р., м. Ужгород); Друга Міжнародна науково-практична конференція “Інженерний захист територій і об'єктів у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів” (29 травня -2 червня 2000 р., м. Ялта); Національна конференція “Оцінка впливу об'єктів будівництва на навколишнє середовище (ОВНС). Аналіз та проведення природно-охоронних заходів згідно з ДБН А.2.2-1-95” (23-27 травня 2000 р., м. Ялта); IX Міжнародний Симпозіум “Geotechnika 2000” (Ustron, Poland, 2000); на наукових семінарах Інституту прикладного системного аналізу Міносвіти і науки України і НАН України (Київ, 2001), Інституту космічних досліджень НАН України і НКА України (Київ, 2002).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 5 статтях наукових кваліфікаційних журналів, 1 статті в працях міжнародної конференції, 3 тезах матеріалів міжнародних конференцій, усього в 9 наукових працях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 181 найменування, 2 додатків. Обсяг дисертації становить 138 сторінок. Додатки займають 55 сторінок. Робота містить 27 малюнків, 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюються мета і задачі дослідження, основні результати роботи.

У першому розділі наводиться огляд стану досліджень екологічних водонебезпечних процесів, який показує, що найменш дослідженими є задачі системного аналізу і прогнозу водонебезпечних процесів, їхні взаємозв'язки і взаємодії. Це доводить, що задача вдосконалення інформаційного забезпечення моніторингу, системного аналізу і прогнозу водонебезпечних процесів є практично важливою й актуальною.

Розроблено й обґрунтовано ієрархічну структуру системи інформаційного забезпечення управління та контролю екологічної обстановки, що відбиває організаційно-функціональний взаємозв'язок органів управління двох рівнів виконавчої влади - центральної і регіональної, а також інформаційний взаємозв'язок системи інформаційного забезпечення управління та контролю екологічної обстановки та відповідних органів управління .

Проведено аналіз властивостей і особливостей екологічних водонебезпечних наземних (зливи, паводки, повені, затоплення та ін.) і ґрунтових (підтоплення, зсуви, обвали, провали та ін.) процесів. З’ясовано, що вони відрізняються складними взаємозв'язками, взаємозалежностями, взаємодіями різноманітних факторів і причин і мають характерні ознаки:

різнорідність і різнотипність причин і факторів, дії яких призводять до виникнення водонебезпечних процесів;

просторове розподілення як умов виникнення, так і регіонів впливу водонебезпечних процесів;

часовий рознос умов та причин водонебезпечних процесів від результатів їх впливу;

невизначеність у часі й просторі динаміки розвитку і впливу водонебезпечних процесів;

нестаціонарність статистичних властивостей і невизначеність характеристик водонебезпечних процесів.

У другому розділі на основі системного аналізу властивостей і особливостей водонебезпечних процесів розроблено структуру автоматизованої інформаційної системи моніторингу, системного аналізу і прогнозування екологічних водонебезпечних процесів та її методологічний і математичний апарат. Апарат базується на системі моделей, основою якої є базова модель. Остання визначається як типова модель відновлення функціональних закономірностей за кінцевою вибіркою тимчасового ряду водонебезпечного процесу, на основі якої побудовані моделі: оцінювання динаміки процесів; короткострокового і довгострокового прогнозу; відновлення пропущених статистичних даних вибірки швидко та повільно осцилюючих процесів.

Моделі будуються на основі наступної узагальненої постановки задачі системного аналізу водонебезпечних екологічних процесів.

Відомі для інтервалу,,, результати спостережень водонебезпечних процесів за період у вигляді дискретної вибірки тимчасового ряду

, (1)

.

Потрібно:

1.

2.

3.

Задача формування наближених функцій є важко формалізуємою системною задачею, що представлена у вигляді взаємозалежних задач:

·

·

·

Задача вибору класу і структури наближених функцій є основною і має ряд важливих особливостей. Зокрема, шукані функції повинні не просто наближати експериментальні дані, але й мати визначені екстремальні властивості, що вимагає вибору більш складної структури класу наближених функцій, ніж у задачі інтерполяції. Інша важлива особливість полягає в досягненні раціонального компромісу між суперечливими вимогами: вимогою максимізації рівня вірогідності виявлення шуканої закономірності, що веде до необхідності підвищення складності класу наближених функцій, і вимогою мінімізації складності й трудомісткості процедури формування шуканої функціональної залежності, що обумовлює необхідність спрощення класу наближених функцій.

Наступною практично важливою задачею є вибір критеріїв оцінювання й методів побудови наближених функцій. У цій задачі прийнято, що визначальною вимогою при виборі є відповідність обраного критерію специфіці властивостей і особливостей досліджуваних процесів. Враховано, що для водонебезпечних процесів найважливіша особливість полягає в наявності окремих, досить великих викидів у статистичній вибірці по мірі наближення динаміки процесу до критичного рівня, а виявлення викидів є необхідною умовою своєчасного виявлення динаміки критичного стану і забезпечення своєчасності формування й реалізації рішень для запобігання небажаним наслідкам. Середньоквадратичний критерій, що широко використовується на практиці, згладжує такі викиди. Тому для виконання зазначеної вимоги застосовується чебишевський критерій, який визначає максимум абсолютного відхилення наближених функцій від відомих дискретних значень тимчасового ряду, що виключає вказаний недолік середньоквадратичного критерію.

У роботі запропоновано новий метод формування наближених функцій при виявленні функціональних закономірностей, відповідно до якого за клас наближених функцій прийнято клас узагальнених поліномів на основі зміщених поліномів Чебишева

; , (2)

Вибір чебишевського критерію і структури наближених функцій у вигляді (2) відкриває можливість більш точного прогнозування динаміки водонебезпечних процесів. У цьому випадку задачу знаходження шуканих наближених функцій можливо привести до послідовності чебишевських задач наближення для несумісної системи лінійних рівнянь, методи й алгоритми рішення яких добре відомі. На цій основі розроблено математичний апарат, що дозволяє одержати всі запропоновані тут моделі.

Базова модель. Базова модель визначає динаміку водонебезпечних процесів за умови відсутності пропусків вихідних даних за період спостереження . Враховуючи, що область визначення і безліч значень усіх зміщених поліномів Чебишева визначаються інтервалом [0,1], вихідні дані (1) нормуються для цього інтервалу. Функція (2) та вихідні дані (1) представляються в нормованих перемінних у вигляді

, (3)

(4)

. (5)

Визначення невідомих коефіцієнтів функції (3) виконується на основі наступних умов відповідності функціональних залежностей у вихідних (1) і в нормованих перемінних (4), (5) для неперервних та дискретних значень аргументів

, , ,

і зводиться до несумісної системи лінійних рівнянь

, (6)

рішення якої виконується на основі чебишевського критерію.

Результатом є одержання шуканої базової моделі динаміки водонебезпечних процесів у вигляді наступної функції в нормованих та вихідних перемінних

, . (7)

Моделі осцилюючих процесів. Моделі динаміки повільно і швидко осцилюючих процесів за умови відсутності пропусків вихідних даних протягом періоду знаходяться безпосередньо на основі базової моделі як рішення чебишевської задачі для системи (6) на основі чебишевського критерію за умови адаптації функцій (7) до специфіки осцилюючих процесів. Такий прийом дозволяє в динаміці інтерактивного режиму вибирати кількість і ступінь зміщених поліномів Чебишева і тим самим забезпечити адаптацію моделі до досліджуваного процесу.

Так, для побудови моделі повільно осцилюючих процесів досить використовувати в (7) поліноми , що відповідають умовам: ; . Для швидко осцилюючих процесів необхідно використовувати в (7) більш високі ступені і більшу кількість поліномів , що відповідають умовам:;.Для побудови моделі складних осцилюючих процесів, що містять повільно і швидко осцилюючі складові, необхідно використовувати зміщені поліноми Чебишева, що відповідають умовам: ; .

Моделі короткострокового і довгострокового прогнозування водонебезпечних процесів. Моделі прогнозування динаміки водонебезпечних процесів будуються на основі базової моделі, вихідної вибірки тимчасового ряду (1) для інтервалу і моделей динаміки процесів у формі (7). До процедури формування моделей застосовується відома властивість поліномів Чебишева – забезпечувати рівномірне наближення функцій на інтервалі [0,1]. Нормування вихідних даних виконується на основі (4) для інтервалу , що включає вихідний інтервал спостереження й інтервал прогнозування. Далі для побудови моделі динаміки процесу у формі наближених функцій (7) по вихідним даним (1) формується система рівнянь у нормованих перемінних для інтервалу спостереження у вигляді (6). Модель динаміки процесу в інтервалі спостереження є результатом рішення отриманої системи за чебишевським критерієм і описується співвідношенням

(8)

Модель прогнозу динаміки процесу визначається екстраполюванням функції (8) в інтервал на основі властивостей поліномів Чебишева і виражається наступною формулою

(9)

Модель динаміки процесу в інтервалі на основі (8) і (9) описується таким виразом

Моделі для довгострокового й короткострокового прогнозів відрізняються як співвідношенням тривалості інтервалів спостережень і прогнозів, так і кількістю і ступінню зміщених поліномів Чебишева в моделі.

Третій розділ містить поетапний опис процесу розробки та реалізації програмного продукту, який використовується для забезпечення системного аналізу динаміки водонебезпечних процесів. Спочатку описано технічні вимоги до апаратури та засобів, за якими була обрана конкретна операційна система, на базі якої розроблявся програмний продукт. Далі наведено обґрунтований вибір середовища програмування Borland Delphi 5.0. та коротко окреслено його переваги. Потім розглянуто реалізацію даного програмного продукту, описано файли, які входять до нього. Створено інтерфейс користувача та наведено інструкцію для його використання. В якості області відображення виступають декілька форм, між якими можна переміщуватися за допомогою меню або панелі інструментів. Першою є форма, яка відображає дані про кількісні характеристики водонебезпечних процесів у вигляді таблиць, що можуть заповнюватися в автоматичному режимі безпосередньо з датчиків чи вводитись у ручному режимі з клавіатури. Другою і третьою є форми, що відображають графіки динаміки зміни кількісних характеристик водонебезпечних процесів (за роками, місяцями, годинами). Четвертою є форма, що відображає статистичну інформацію. П’ята форма відображає графіки порівняльної характеристики щодо прогнозування запропонованим методом на основі поліномів Чебишева та за допомогою методу експонентного згладжування.

У четвертому розділі представлені результати практичної реалізації розроблених моделей і прикладних програм у вимірювальній системі формування первинної інформації в динаміці моніторингу зсувних процесів Центральної Ливадійської зсувної системи і на прикладах оцінювання й прогнозування динаміки опадів, відновлення пропущених статистичних даних для ряду станцій Західної України.

На основі системного аналізу специфіки формування первинної інформації щодо водонебезпечних процесів запропоновано й реалізовано модернізацію вимірювальної системи формування первинної інформації моніторингу зсувних процесів Центральної Ливадійської зсувної системи за програмою “Sensor”. Система в режимі реального часу виконує наступні функції:

·

·

·

·

Представлено опис програми "SENSOR" вимірювальної системи формування первинної інформації, проаналізовано результати її тестування й іспиту. Встановлено, що використання програми “Sensor” дозволяє підвищити вірогідність оцінювання законів розподілу, прискорити каталогізацію й підвищити оперативність формування бази даних на основі статистичних параметрів результатів вимірів, а це відкриває, в свою чергу, можливість виконувати більш ранні і достовірні прогнози еволюції досліджуваної території Центральної Ливадійської зсувної системи (акт впровадження).

Виконано оцінювання й прогнозування динаміки опадів, а також відновлення пропущених статистичних даних на основі розроблених математичних моделей і програмних модулів за вихідними реальними даними про кількість щомісячних опадів з 1890 року по дійсний час на ряді станцій Західної України (у районах станцій Берегово, Великий Березний, Воловець, Нижні Ворота, Міжгір'я, Мукачеве, Подползьє, Пожежівська, Галявина, Ужгород, Свалява, Чоп). На рис.2 представлено фрагмент розподілу щомісячних опадів за вказаними роками з відновленими даними.

ВИСНОВКИ

У дисертації подано нове рішення задачі удосконалення інформаційного забезпечення контролю екологічних водонебезпечних процесів у реальному масштабі часу на основі розробки структури й інструментальних засобів автоматизованої системи інформаційного забезпечення контролю екологічних водонебезпечних процесів з використанням сучасних інформаційних технологій, що дозволяє виконувати системний аналіз і прогнозування динаміки водонебезпечних процесів і відкриває можливість підвищення вірогідності й обґрунтованості інформаційного забезпечення процесів формування й обґрунтування рішень у динаміці критичних чи надзвичайних екологічних ситуацій.

Рис.1. Фрагмент розподілу місячних опадів за вказаними роками з відновленими даними і прогнозом до 2002 р.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Проведено аналіз наукової літератури щодо стану досліджень екологічних водонебезпечних процесів, який показав, що найбільш важливими і складними залишаються проблеми підвищення вірогідності й обґрунтованості інформаційного забезпечення процесів формування й обґрунтування рішень у динаміці критичних і надзвичайних ситуацій; найменш дослідженими є задачі системного аналізу динаміки водонебезпечних процесів, взаємозв'язки і взаємодії причин, умов і результатів. Тому практично важливою й актуальною задачею є удосконалення інформаційного забезпечення управління і контролю екологічної обстановки.

2. Розроблено й обґрунтовано ієрархічну структуру системи інформаційного забезпечення управління і контролю екологічної обстановки, що відбиває організаційно-функціональний взаємозв'язок органів управління, а також інформаційний взаємозв'язок системи інформаційного забезпечення управління і контролю екологічної обстановки та відповідних органів управління.

3. Проведено аналіз екологічних водонебезпечних наземних (зливи, паводки, повені, затоплення та ін.) і ґрунтових (підтоплення, зсуви, обвали, провали та ін.) процесів, який показав, що ці процеси відрізняються складними взаємозв'язками, взаємозалежностями, взаємодіями різноманітних факторів і причин.

4. Розроблено ієрархічну структуру автоматизованої інформаційної системи моніторингу, системного аналізу і прогнозування екологічних водонебезпечних процесів, що призначена для безупинного системного аналізу динаміки цих процесів і своєчасного формування рішення для запобігання чи мінімізації збитків від їх впливу.

5. Запропоновано системний підхід до оцінювання і прогнозування динаміки водонебезпечних процесів на основі єдиної стратегії взаємного узгодження моніторингу й контролю водонебезпечних процесів. Розроблено базову модель динаміки водонебезпечних процесів. На її основі побудовані моделі: оцінювання динаміки процесів; короткострокового і довгострокового прогнозування динаміки процесів; відновлення пропущених даних вибірки швидко осцилюючої і повільно осцилюючої динаміки процесів. Реалізація єдиної базової моделі динаміки водонебезпечних процесів дозволяє одержати такі якісні переваги в порівнянні з відомими підходами:

уніфікувати обчислювальні процедури при вирішенні основних задач аналізу і прогнозування водонебезпечних процесів;

істотно скоротити тимчасові витрати на рішення практичних задач.

6. Реалізовано у середовищі Borland Delphi 5.0 пакет прикладних програм прогнозування динаміки водонебезпечних екологічних процесів у реальному масштабі часу на основі моделей оцінювання, прогнозування динаміки водонебезпечних процесів і відновлення пропущених даних у статистичній вибірці.

7. Здійснено апробацію запропонованого методу формування моделей водонебезпечних процесів з метою оцінювання його реалізованості, вірогідності й порівняння його обчислювальних можливостей з результатами типового методу аналізу тимчасових рядів - методу експонентного згладжування. Апробація реалізована на основі обчислювального експерименту з використанням тестових даних у формі дискретної вибірки тимчасового ряду, що формується на основі апріорно відомих функцій. У результаті обчислювальних експериментів зроблено висновки й рекомендації.

8. Результати експериментального іспиту вимірювальної системи формування первинної інформації з використанням модифікованої програми “Sensor” показали її високу точність і достатню для практики оперативність аналізу зсувних процесів, адекватну реакцію на зміну керуючих параметрів, а також стійкість до випадкових впливів.

9. Встановлено, що практичне використання програми “Sensor” дозволяє підвищити оперативність формування бази даних статистичних результатів вимірів, що відкриває можливість виконувати більш ранні і достовірні прогнози еволюції досліджуваної території Центральної Ливадійської зсувної системи (акт впровадження).

10. Виконано оцінювання й прогнозування динаміки опадів, відновлення пропущених статистичних даних на основі розроблених математичних моделей і програмних модулів за вихідними реальними даними про кількість щомісячних випадаючих опадів з 1890 року по дійсний час на ряді станцій Західної України.

11. Вірогідність отриманих у дисертації результатів забезпечується фізичним і математичним обґрунтуванням розроблених математичних моделей динаміки водонебезпечних процесів, оцінюванням їхньої точності й вірогідності на основі виконання обчислювального експерименту по тестових прикладах і зіставлення з реальними даними спостережень і результатами розрахунків за іншими методами.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

АНОТАЦІЇ

Соколовська А.Б. Автоматизована інформаційна система забезпечення контролю екологічних водонебезпечних процесів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Інститут прикладного системного аналізу Міністерства освіти та науки України та НАН України.

У дисертації подано нове вирішення задачі удосконалення інформаційного забезпечення контролю екологічних водонебезпечних процесів у реальному масштабі часу. У роботі вперше запропоновано системний підхід до оцінювання і прогнозування динаміки водонебезпечних процесів на основі єдиної стратегії взаємного узгодження моніторингу й контролю водонебезпечних процесів. Розроблено структуру й інструментальні засоби автоматизованої інформаційної системи моніторингу, системного аналізу і прогнозування водонебезпечних процесів, що дозволяє забезпечити своєчасне формування й обґрунтування рішення в динаміці водонебезпечних процесів. Розроблено базову модель динаміки водонебезпечних процесів, на основі якої побудовані математичні моделі: оцінювання динаміки швидко - і повільно осцилюючих процесів; короткострокового й довгострокового прогнозування динаміки процесів; відновлення в статистичній вибірці пропущених даних. Реалізовано у середовищі Borland Delphi 5.0 пакет прикладних програм прогнозування динаміки водонебезпечних процесів. Наведено інформацію про практичну ефективність розроблених моделей і програм.

Ключові слова: автоматизована інформаційна система, водонебезпечні процеси, системний підхід, наближені функції, прогнозування, відновлення пропущених даних вибірки.

Соколовская А.Б. Автоматизированная информационная система обеспечения контроля экологических водоопасных процессов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Институт прикладного системного анализа Министерства образования и науки Украины и НАН Украины.

В диссертации предложено новое решение задачи совершенствования информационного обеспечения контроля экологических водоопасных процессов в реальном масштабе времени, что открывает возможность повышения достоверности и обоснованности решений в динамике критических и чрезвычайных экологических ситуаций.

Разработана иерархическая структура автоматизированной информационной системы мониторинга, системного анализа и прогнозирования, экологических водоопасных процессов

Проведен анализ экологических водоопасных наземных (ливни, паводки, наводнения, затопления и др.) и грунтовых (подтопления, оползни, обвалы, провалы и др.) процессов, который показывает: разнородность и разнотипность причин и факторов процессов; пространственную распределённость как условий возникновения, так и регионов их воздействия; неопределенность во времени и пространстве динамики развития и воздействия водоопасных процессов; неопределенность и изменчивость их статистических свойств и характеристик.

Предложен системный подход к оцениванию и прогнозированию динамики водоопасных процессов на основе единой стратегии взаимного согласования мониторинга и контроля водоопасных процессов. Разработана базовая модель динамики водоопасных процессов, на основе которой построены модели: оценивания динамики процессов; краткосрочного и долгосрочного прогнозирования;модели восстановления пропущенных данных выборки быстро осциллирующих и медленно осциллирующих процессов. Реализация единой базовой модели динамики водоопасных процессов позволяет получить качественные преимущества по сравнению с известными подходами: унифицировать вычислительные процедуры при решении основных задач анализа и прогнозирования водоопасных процессов; существенно сократить временные затраты на решение различных практических задач.

Предложен метод формирования приближающих функций по дискретной статистической выборке временного ряда для выявления функциональных закономерностей, в соответствии с которым в качестве класса приближающих функций принят класс обобщенных полиномов Чебышева. Показано, что практически важной задачей является выбор критериев оценивания и методов построения приближающих функций. Определяющим требованием при выборе является соответствия выбираемого критерия специфике свойств и особенностей исследуемых процессов. Выбор чебышевского критерия оценивания и структуры приближающих функций в виде обобщенных полиномов на основе смещенных полиномов Чебышева открывает возможность более точного прогнозирования динамики водоопасных процессов. Задача нахождения искомых приближающих функций приводится к последовательности чебышевских задач приближения для несовместной системы линейных уравнений.

Реализован в среде Borland Delphi 5.0 пакет прикладных программ системного анализа и прогнозирования динамики водоопасных экологических процессов в реальном масштабе времени на основе моделей оценивания, прогнозирования динамики водоопасных процессов и восстановления пропущенных данных в статистической выборке.

Выполнена апробация предложенного метода формирования моделей водоопасных процессов с целью оценивания его реализуемости, достоверности и сравнения его вычислительных возможностей с результатами типового метода анализа временных рядов - метода экспоненциального сглаживания.

Представлены результаты практической реализации разработанных моделей и прикладных программ на примере измерительной системы формирования первичной информации в динамике мониторинга оползневых процессов Центральной Ливадийской оползневой системы и на примерах оценивания и прогнозирования динамики осадков, восстановления пропущенных статистических данных для ряда станций Западной Украины.

Ключевые слова: автоматизированная информационная система, водоопасные процессы, системный подход, приближающие функции, прогнозирование, восстановление пропущенных данных выборки.

A.B. Sokolovskaya. The automated system of information securing of control by ecological water–dangerous processes. – Manuscript.

Thesis for the Candidate degree (technical sciences) in speciality 05.13.06 – the automated systems of direction and progressive information technologies. – Institute for Applied System Analysis of NAS and MES of Ukraine.

In the thesis has been adduced a new solution of problem in perfection of information securing of control by ecological water-dangerous processes in a real scale. For the first time in the work it has been proposed the system approach to the estimating and prognostication of dynamics of water-dangerous processes on the basis of the united strategy of mutual agreement of monitoring and control by water-dangerous processes. It has been worked out the structure and tool means of the automated information system of monitoring, the system analysis and prognostication of water-dangerous processes, that allows to secure the timely forming and the basing of a decision in dynamics of water-dangerous processes. The mathematical models such as: an estimating of the dynamics fast – and slowly-oscillation processes; a short-term and a long-term prognostication of the dynamics of processes; the omitted data restoration in statistical selection have been constructed on the basis of worked out base model of the dynamics of water-dangerous processes. A package of applied programs of the system analysis and prognostication of the dynamics of water-dangerous processes has been realized in Borland Delhi 5.0. medium.

It has been adduced an information about practical efficiency the elaborated models and programs.

Key words: the automated information system, the water-dangerous processes, system approach, approximating functions, prognostication, omitted data restoration.