Алгоритмы классификации и принятия решений в условиях нечеткой информации в системах экологического мониторинга

За последние десятилетия масштабы и физические особенности антропогенных и техногенных воздействий на природную среду порождают значительные отрицательные последствия в экологической системе (экосистеме). Неуправляемое техногенное влияние на окружающую среду приводит к существенному загрязнению среды обитания, питьевой воды и продуктов питания, неблагоприятному воздействию этих факторов на здоровье населения, фактическому возникновению зон экологического бедствия. В связи с этим проблемы снижения экологического риска, обеспечение экологической безопасности и рационального управления экологической ситуацией приобретают первостепенное значение. Необходимым условием экологической безопасности является постоянное наблюдение за качеством жизненно важных природных сред (воздуха, воды, почвы, растительного покрова).

В рамках экологической проблемы ¦ первостепенное место занимает система экологического контроля и управление (мониторинга). При этом не только необходимо контролировать и констатировать экологическую обстановку в регионе, но и прогнозировать ее состояние во времени, принимать решения по природозащитным мероприятиям в условиях конфликта и компромисса.

Принятие решений в сложных экологических системах связано с необходимостью анализа и обработки большого объема разнородной i f информации. Ограниченные возможности человека по восприятию и переработке информации приводят к неоптимальности принимаемых решений.

Усиление интеллектуальных возможностей человека достигается на основе использования ЭВМ и создания интеллектуальных систем принятия решений. Создание таких систем предполагает разработку теории принятия решений, в которой должны содержаться основные идеи и принципы, описываться закономерности процесса принятия решений, определяться методы и технологии принятия решений, формулироваться важнейшие практические рекомендации.

Наибольший научный интерес и важное практическое значение представляют собой задачи поиска решений, в условиях неопределенности, нечеткой информации, характеризующихся неполнотой и недостоверностью исходной информации, мнргообразием и сложностью влияния на процесс принятия решений внешних факторов.

Следует отметить, что актуальным является решение задач межуровневых конфликтов в экологических системах, участники которых располагают неполной и асимметричной информацией о множествах выбора решений. В такого рода конфликтах проблема компромиссов является центральной. Особенно в условиях нечеткого описания предметной области. Развитие теории нечетких множеств обусловлено развитием техники и технологий, требующих новых подходов к решению организационно-технологических задач, процессов принятия решений человеком, логико-лингвистических систем управления. Для решения этих задач потребовались методы, позволяющие использовать элементы естественного языка. Набором таких методов обладает теория нечетких множеств. Она позволяет наилучшим образом структурировать все то, что разделено не очень точными границами. С нечеткостью сталкиваются различные специалисты: экономисты, лингвисты, специалисты по теории информации, биологи, экологи, социологи и другие. Нечеткость информации обусловлена наличием в описаниях задач принятия решений и отношений с нестрогими границами, а также высказываний с i многозначной шкалой истинности.

Особую актуальность приобретают методы, позволяющие формализовать нечеткость при описании экологических ситуаций. Одним из таких методов v t является метод нечеткой классификаций, основанный на теории нечетких множеств. Таким образом тема диссертации является актуальной и представляет практический интерес.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование алгоритмов нечеткой классификации ситуаций, предназначенных для i поддержки процесса принятия решений в условиях компромисса в задачах экологического мониторинга.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать модели межуровневых конфликтов в иерархически организованных экологических системах с множеством компромиссных решений с различной информированностью участников.

2. Разработать методические положения построения моделей принятия решений в системах экологического мониторинга в виде двухуровневой иерархической структуры, включающей в себя как количественные (числовые), так и качественные (лингвистические) описания экологических ситуаций.

3. Распространить традиционные основы формального описания нечеткой информации на процедуры, используемые при создании алгоритмов нечеткой классификации, позволяющего ускорить й упростить процесс классификации и повысить качество принимаемого решения.

4. Обосновать модель поиска оптимальных решений с использованием нечеткой семантической сети и определении степени принадлежности текущей экологической ситуации к описанным классам эталонных ситуаций на основе степени нечеткого сходства.

5. Сформулировать организационные и структурные аспекты создания информационной системы экологического мониторинга с элементами интеграции и интеллектуальности.

Методы проведения исследований основаны на использовании системного анализа и теории системы, теории графов,' аппарата теории нечетких множеств и отношений, теории и методов искусственного интеллекта, теории оптимизации.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем: использована математическая модель межуровневых конфликтов в экологических системах с несовпадающими интересами и неполной информированностью участников о множествах выбора решенийпредложены методические разработки построения моделей принятия решений на основе теории нечетких множеств при неполной и неточной исходной информации на основе описания экологических ситуаций в виде двухуровневой иерархической структурыразработаны алгоритмы численной нечеткой классификации, использующие нечеткую информацию, интервальные нечеткие множества и интегральные индексы экологического состоянияпредложены пути поиска оптимальных решений с использованием нечеткой семантической сети, основанные на распознавании принадлежности текущей экологической ситуации к тому или иному классу эталонных ситуаций на основе степени нечеткого сходстваобоснованы организационные и структурные принципы построения информационной системы экологического мониторинга, позволяющей организовать интерактивное общение с человеком с целью выработки своевременных и компетентных решений.

Практическая ценность результатов работы заключается в решении ряда прикладных задач при охране окружающей среды и производственного планирования в промышленных предприятиях и фирмах, в исследовании новых аспектов сотрудничества участников в организационных конфликтах, в разработке алгоритмов распознавания экологических ситуаций в условиях нечеткой формализации, в разработке методик принятия решений в условиях межуровневого компромисса, в разработке структуры информационной системы экологического мониторинга.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается согласием в частных случаях результатов 7 моделирования с теоретическими результатами известными ранее из литературных и отчетных источников по данной темеиспользованием имитационного моделирования для оценивания исследуемых методов и процедур,. практической и научной апробацией материалов диссертационного исследования.

Апробация работы. .Основные научные и практические результаты диссертационной работы были представлены и одобрены на всероссийских и международных научно-технических конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции «ТРАНСКОМ-2001» (Санкт-Петербург), Международной научно-технической конференции «Региональная информатика, RI-2002», кафедральных научно-технических семинарах «Диагностика состояния технических объектов» (2000;2003 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержащего 111 наименований. Общий объем работы 220 страниц, который включает 31 рисунков и 11 таблиц.

Основные результаты.

1. Предложены и научно обоснованы принципы организации и структура экологической интегрированной интеллектуальной системы, включающей наряду с подсистемой обработки знаний блок организации вычислительных процессов, использующий алгоритмы имитационного моделирования, а также подсистему когнитивного графического представления информации, позволяющую организовать интерактивное общение с человеком с целью выработки компетентных и своевременных решений по обеспечению экологической безопасности.

2. Приведены результаты исследования закономерностей распространения атмосферных примесей, позволяющие определять зоны их накопления с учетом климатических особенностей исследуемого региона. Использование полученных результатов позволило осуществить оптимальный выбор репрезентативных мест и периодов наблюдений при проведении мониторинга экологического состояния воздуха.

3. В ходе исследований установлено, что одни и те же условия погоды могут оказывать разное воздействие на распределение примесей в атмосфере в зависимости от типа и свойств этих примесей и параметров источника, и, в первую очередь, от его высоты. Так, сочетание неустойчивой стратификации и опасной скорости ветра оказывается особенно неблагоприятным в случае высоких источников.

4. Результаты проведения краткосрочных прогнозов загрязнения воздуха позволили реализовать возможность уменьшения выбросов в атмосферу, особенно в те, сравнительно короткие периоды времени, когда образуется неблагоприятная метеорологическая обстановка, при которой могут создаваться опасные ситуации.

5. Показано, что использование субъективных оценок экологов-экспертов и методов нечеткого описания и структурирования экологических ситуаций позволяет строить эффективные алгоритмы для определения аномальных экологических зон и обнаружения загрязненных участков территорий.

6. В результате проведения исследований установлено, что использование методов комплексной оценки загрязненности поверхностных вод, основанных на формализации знаний экологов-экспертов с применением нечетких классификационных методов и алгоритмов численного моделирования позволяет учитывать закономерности пространственно-временного распределения примесей, определяемые гидродинамическими характеристиками исследуемых водоемов.

7. При разработке программного комплекса используются средства диалоговой интерактивной графики, что позволяет оперативно управлять ходом численных расчетов и поиском оптимальных решений. Применение стандартных форматов графических данных позволяет легко обмениваться данными с внешними программами, что расширяет область применения полученных результатов.

8. Делается вывод, что совместное использование методов манипулирования знаниями, имитационного моделирования и средств когнитивной компьютерной графики для анализа и прогноза экологических ситуаций позволяет перейти от наблюдения образов и явлений к формированию оптимальных решений на основе ассоциативного восприятия информации, а также осуществлять проверку достоверности полученных решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе проведенных научных исследований в работе получены следующие научные результаты:

1. Предложена математическая модель межуровневых конфликтов в экологических системах с несовпадающими интересами и неполной, асимметричной информированностью участников о множествах выбора решений. На ее основе при конструировании эффективных компромиссов реализованы стратегии участников на основе обмена информацией и распределения управляющих переменных, включающие механизмы межуровневого взаимодействия участников.

2. Предложены методические положения построения принятия решений в интеллектуальных (экспертных) системах, заключающиеся в представлении процедур принятия решений в виде двухуровневой иерархической структуры, включающей в себя как количественные (числовые) так и качественные (лингвистические) описания экологических систем.

3. Показано, что описание текущих экологических ситуаций, на основе которых осуществляется выбор альтернатив, могут быть заданы не только в форме функций полезности, по значениям которой альтернативы сравниваются друг с другом, но и в форме отношения предпочтения. Такой способ описания экологических ситуаций является более универсальным, поскольку позволяет ввести в математическую модель знания экспертов, что позволяет сделать модель более адекватной реальности.

4. Предложены алгоритмы: численной нечеткой классификациисокращенной численной нечеткой классификацииобратной численной нечеткой классификации, которые позволяют ускорить и упростить процесс классификации экологических ситуаций.

5. Исследованы операции над интервальными нечеткими множествами, которые позволяют повысить качество принимаемых решений об экологическом состоянии природных объектов.

6. Предложена модель поиска оптимальных решений с использованием нечеткой семантической сети, основанной на определении степени принадлежности текущей экологической ситуации по тому или иному классу эталонных ситуаций на основе степени нечеткого сходства.

7. Проведен анализ моделей принятия решений, основанных на использовании нечетких ситуационных систем и нечетких классификационных моделей. Также проведены исследования различных мер нечеткого сходства, в результате чего предложена методика построения комбинированной меры сходства нечетких множеств, позволяющей учитывать содержательный смысл значений лингвистической переменной.

8. Предложены организационные построения и структура экологической интеллектуальной системы, включающей, наряду с подсистемой обработки знаний, блок организации вычислительных процессов, использующий алгоритм имитационного моделирования, а также подсистему графического представления информации, позволяющую организовать интерактивное общение с человеком с целью выработки своевременных решений по обеспечению экологической безопасности.