Разработка мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной среды региона

Актуальность темы

Экологические исследования, проведенные в последние десятилетия, показали, что все возрастающее разрушительное воздействие антропогенных факторов на воздушную среду (ВС) привело ее на грань кризиса. Все чаще экологические системы попадают в категорию «критичных», что в первую очередь вызвано всевозможной деятельностью человека. Поэтому так важна система регулирования, комплекс упреждающих мероприятий, направленных на недопущение развития чрезвычайных ситуаций — система экологической безопасности. Необходимы механизмы, которые согласовывали бы интересы подсистем и направляли движение в русло, где соблюдается разумный баланс между экономикой и экологией.

Принятие решений в управлении экологической безопасностью природоохранной деятельности должно опирается на достоверную и полную информацию о фактическом состоянии природных и техногенных объектов. В* этой связи особую значимость приобретают информационные системы, реализующие функции мониторинга, оценки состояния ВС и управления. Основные принципы информационных систем управления экологической безопасностью были сформулированы в трудах Кафарова В. В.,. Попова Н. С., Примака A.B., Перова B. JL, Смирнова В. Н., Вента Д. П. и др.

Однако, на сегодняшний день действующие экологические информационные системы в полном объеме не отвечают требованиям информационного обеспечения процедур принятия решений в области охраны и экологически безопасного использования ресурсов. Отсутствие в большинстве регионов РФ эффективной технологии мониторинга ВС затрудняет процесс управления и принятия решений. Традиционно, исследования по созданию экологических информационных систем (работы И. И. Потапова, А. М. Шутко, И. А. Данилина, С.О. Jloca, JI.C. Паркинсона, Х.Х. Крамера) ориентируются лишь на построение сети различных датчиков. Они независимо распределяются на территории контроля и способны собирать информацию и передавать ее центральному устройству обработки, на основе работы которого производится визуализация полученной информации и оператором на основе его субъективных оценок и опыта вырабатываются окончательные заключения об экологическом состоянии территории: Главная особенность такого положения заключается в сложной пространственной и функциональной распределенности, относящейся как. к территориальной удаленности постов контроля, так и различным целям участников эколого-экономической системы, их сложном и высоко динамичном взаимодействииневозможности построениям единой целевой функции эколого-экономической системы.

Отмеченные обстоятельствапозволяют заключить, что исследование: и разработка новых моделей-и системы управления экологической безопасностьюВС, является в настоящее время актуальной задачейдля решения, которой возникает необходимость в привлечении, знаний из различных областей? и современных методов принятиярешений] включаяметоды искусственного' интеллекта. ,.

Цели и постановка задач исследования. Целью диссертационной работы является' разработка и реализация интеллектуалышй распределенной* системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения региональной экологическойбезопасности ВС на основе технологии мультиагентных систем.

Достижение цели работы потребовало решения следующих задач:

• на основе анализаи оценки существующих моделей и методов управления эколого-экономическими системами построение модели распределенной: многоуровневой системы управления региональной экологической безопасностью ВС;

• разработка методики поддержки принятия решений и управления региональной7 экологической безопасностью на основе технологии мультиагентных системразработка моделей: интеллектуальных агентов в соответствии с ролевым назначением, механизма взаимодействия интеллектуальных агентов, процесса выбора агентами стратегии поведения^ задачи идентификации источника чрезмерных выбросов;

• разработка структурной модели и алгоритмов работы автоматизированной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона.

Объект исследования. Информационная система управления и поддержки принятия решений в эколого-экономических системах.

Предмет исследованияПроцессы принятия управленческих решений в эколого-экономических системах с целью снижения негативного! воздействия на воздушнуюсреду объектов промышленности и устойчивого развития природно-техногенного комплекса.

Методы? исследования. При* проведении исследований? в рамках: задачи диссертационной работы использованы методы, мультиагентных систем с персонифицированными агентами, теория коммуникации! агентов, методы, теории системоснованных на знаниях, иерархических: игр-, теории нечетких нейронных сетейраспределенных-базданных. .

Научная новизна и значимость результатов диссертационной! работы состоит в следующем:

— предложена методика построения автоматизированной системы управления и поддержки принятия решении для обеспечения региональной экологической безопасности В (2 с использованием мультиагентной технологии, отличительной особенностью которой является адаптивность управления к текущим изменениям в эколого-экономической системе;

— синтезирована модель мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения региональной экологической безопасности из автономных агентов, выделенных по ролевому признаку, и отличающаяся полнотой отображения процессов управления и принятия решений;

— построены поведенческие и структурные модели интеллектуальных агентов системы, модель их взаимодействия на основе теории иерархических игр, позволяющие адекватно представить цели и стратегии поведения субъектов эколого-экономической системы;

— разработана модель адаптивного поведения агентов в процессе функционирования системы на основе нейро-нечеткого (^-обучения, отличающаяся высокой скоростью обучения агентов;

— предложен комплекс алгоритмов, функциональная схема и разработано програм-мное обеспечение, необходимые для реализации мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона*, и отличающиеся^ функциональной полнотой и универсальностью.^.

Достоверность научных. результатов. Научные положения, теоретические выводы, и практические рекомендации, включенные в диссертационную работу, подтверждены расчетамимоделированием на ЭВМ, экспертными оценками специалистовсоответствующими актами и справками, дипломом конкурса научных работ, а также апробацией результатов на основе данных региона Курскою магнитной аномалии.

Практическая’значимость-и результаты внедрения.

1. Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что они позволяют на основе разработанных моделей и алгоритмов реализовать автоматизированную систему управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона. Система позволит всем заинтересованным лицам получить комплекс достоверных и регулярно обновляемых данных об экологической обстановкеобеспечить оперативное принятие управленческих решений в области экологии и природопользованияпредоставить возможность сопоставить и качественно проанализировать природно-ресурсную, социально-экономическую и экологическую информациюподготовить необходимые рекомендации и ограничения режимов природопользования и оценить степень воздействия хозяйственных мероприятий на атмосферный воздух.

2. Результаты внедрения. Результаты диссертационной работы используются, при оценке экологической безопасности в, службе государственной экологической инспекции Белгородской области и Белгородского областного центра гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды. Разработанные модели, методы и алгоритмы применяются в учебном процессе при изучении студентами специальных дисциплин «Системы искусственного интеллекта», «Проектирование систем управления», «Интеллектуальные информационные системы».

На защиту выносятся:

1. Методика построения автоматизированной системы управления и поддержки принятия решений для. обеспечения экологической безопасности ВС региона с использованием-мультиагентной технологии.

2. Модели и алгоритмы функционирования интеллектуальных агентов*, с учетом их ролевого назначения.

3. Модель взаимодействия интеллектуальных агентов на основе теории иерархических игр.

4. Модель нейро-нечеткого (^-обучения, которая позволяет агентам выбора оптимальной стратегии поведения.

5. Функциональная схема и алгоритмы системы управления экологической безопасностью на основе технологии мультиагентных систем. Программный комплекс реализации предложенной системы.

Соответствие диссертации паспорту специальности. В диссертационном исследовании разработаны и применены методы поддержки принятия управленческих решений к задачам управления эколого-экономическими системами, что соответствует формуле специальности 05.13.10 — «Управление в социальных и экономических системах». В соответствии с целью, задачами и полученными научными результатами диссертация соответствует следующим пунктам области исследования: П. 5. 9.

Разработка специального математического и программного обеспечения систем управления принятия решений в социальных и экономических системахП. 10. Разработка методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений в экономических и социальных системах.

Апробацияработы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались, на международных конференциях: «Проблемы геологии, экологии и рационального природопользования» (г. Новочеркасск, 2007 г.), «Современные сложные системы управления» — HTCS2008 (Тверь, 2008 г.), TTI Международная научная конференция «Современные проблемы прикладной математики и математического, моделирования» (Воронеж- 2009г) — на Всероссийскихконференциях: III Всероссийская молодежная* научная конференцияио проблемам управления (МКИУ-2008) (г.Москва, 2008 г.), 31-я конференция? молодых ученых и специалистовИнститута проблемпередачи информации им. A.A. Харкевича РАН «Информационные технологии и системы 2008" — (Геленджик, 2008 г.), V Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Управление большими системами 2008» (Липецк, 2008 г.), 3-я Научная конференция Автоматизация в промышленности (Москва, 2009 г.), 32-я конференция молодых ученых и специалистов. Института проблем передачи-информации им. A.A. Харкевича РАН «Информационные технологии и системы. 2009» (Бекасово, 2009 г.) — на региональных, научно-практических конференциях «Образование, наука, производство и управление в XXI веке» (Старый Оскол, 2007,2008,2009,2010), «Молодые ученые — производству» (Старый Оскол, 2007, 2008).

Работа удостоена диплома конкурса научных работ по теории управления и ее приложениям за 2009 год, проводимого ИПУ РАН.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 17 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационных исследований, общим объемом 72 стр. (лично автором выполнено 63 стр.).

В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении целей и задач работы [3,4,6,7], в разработке моделей и алгоритмов [1,2,5,9,10,12,14,15,17], основных элементов программных средств управления и их внедрения [11,13,16].

Исследование поддерживалось грантом: «Разработка теоретических основ энерго-ресурсосбережения и экологической безопасности металлургических процессов» (№ 1.6.09).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения, заключения, библиографического списка из 120 наименований, 6 приложенийсодержит 146 страниц основного текста, 41 рисунок, 38 таблиц.

Выводы по главе 4.

1. На, основе предложенного метода^ построенияMAC управления и поддержки принятияфешений для обеспечения экологической безопасности ВС региона, был создан программный продукт, который позволяет осуществить: персонифицированный, распределенный подход к управлению эколого-экономической системойинтеграцию' больших массивов информации и оперативную обработку результатовперераспределение процессов информационной обработки по элементам системы.

2. Для программной реализации МАСЭБ выбрана агентская платформа JADE.

3. Разработана структура программной системы управления экологической безопасностью, которая построена на основе интернет архитектуры MAC точка-точка IEEE FIPA и включает в себя распределенную БД и автоматизированные рабочие места. Все пользователи работают в едином информационном пространстве и получают рекомендации одновременно, но при этом адресно.

4. Разработаны удобные и простые в использовании формы ввода-вывода информации для работы с агентами системы.

5. Для практической реализации разработанной' системы была выбрана регионКМА. Выбор обусловлен следующими факторами: горнометаллургический комплекс региона КМАнаносит существенный урон природной средебыстрые темпы промышленного^ и гражданского строительства обусловили высокую скорость нарастания антропогенного прессинга на окружающую средусистемы мониторинга региона КМА в полном объемене отвечают требованиям информационного обеспечения процедур принятия решений в области охраны, и экологически безопасного использования ресурсов.

6. В соответствии с предложенным" методом' построения* (глава 2) и представленным составом участников эколого-экономической системы региона КМА, была разработана структурная модель МАСЭБ.

7. Применение разработанной" МАСЭБ обеспечивает решение задач: обработки инакопления' информации по временным трендам* параметров-окружающей среды с целью оценки, экологического состоянияидентификации источников выбросов (предприятий, совершивших чрезмерные выбросы) — представления всей имеющейся-информации в удобном для пользователя видеподготовки интегрированной информации о состоянии окружающей среды и прогнозов вероятных последствий хозяйственной деятельностиразработки рекомендаций и подходов к оптимальному управлению экологической безопасностью и, в общем, эколого-экономической системой как со стороны предприятий, так и органов государственной власти.

8. Получены результаты расчета эколого-экономических показателей региона КМА, проведенные агентами системы, которые говорят об эффективности принимаемых решений.