Регистрация / Вход
Прислать материал

Интеллектуальная система управления обращением с отходами

Общие сведения
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Название доклада
Интеллектуальная система управления обращением с отходами
Название программы
Госзадание Министерства образования и науки
Исполнитель проекта
Белгородский государственный национальный исследовательский университет
Докладчик (участник)
Участник
Иващук Ольга Александровна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является создание технологии интеллектуального мониторинга, прогнозирования и ситуационного управления в сфере обращения с отходами производства и потребления на основе интеграции интеллектуальных методов обработки информации, геоинформационных подходов и средств автоматизации с разработкой соответствующей распределенной автоматизированной системы управления. Актуализация подобной технологии и системы обеспечит возможность принятия научно обоснованных результативных решений по оптимизации движения потоков отходов.
Задачи исследования:
– разработка концептуальных основ и методов интеллектуального мониторинга и прогнозирования процессов движения отходов производства и потребления, а также поддержки принятия решений по управлению видами обращения с отходами;
– построение функциональной и структурной моделей распределенной автоматизированной системы управления обращением с отходами производства и потребления, анализ подсистем и процессов их взаимодействия между собой и с внешней средой;
– разработка на основе интеграции аппаратов интеллектуального моделирования и геоинформационных средств информационных и ситуационных моделей для осуществления: пространственно-временной оценки и прогнозирования динамики потоков отходов; оценки и прогнозирования баланса количественных и качественных характеристик сбора, обработки, обезвреживания, утилизации и размещения образующихся отходов; результатов взаимодействий биосферы и объектов системы обращения с отходами;
– разработка методов и моделей формирования сценариев управления различными видами обращения с отходами, программной реализации.
– разработка прототипа автоматизированной системы.
Актуальность и новизна исследования
За последние годы рост количества отходов в России идет быстрее, чем рост ВВП. Ежегодно образуется свыше 5 млрд. т отходов I-IV классов опасности, а вместимость полигонов для их захоронения на пределе, свободных площадей осталось чуть более чем на 1,7 млрд. т. Управление обращением с отходами – управление сложной системой, состояние которой характеризуется количественными и качественными параметрами, множественными и неоднородными исходными данными; а для принятия управленческих решений необходимо учитывать слабоформализуемые понятия. Задача усложняется многогранностью и высокой динамикой взаимодействия природных и техногенных объектов.
Исследования направлены на создание технологии интеллектуального мониторинга и прогнозирования образования и движения отходов, инструментальным воплощением которой является распределенная автоматизированная система ситуационного управления обращением с отходами. Подобная система принципиально отличается от существующих в данной сфере: возможностью интеллектуального анализа данных уже на уровне мониторинга процессов образования и движения потоков отходов с возможностью прогнозирования и оптимизации; функциями ситуационного моделирования, комплексной оценки, кратко-, средне- и долгосрочного прогнозирования баланса количественных и качественных характеристик образования, обработки, обезвреживания, утилизации и размещения отходов, формирования и оценки результативности альтернативных сценариев управления. Подобные системы будут являться универсальными для территорий и объектов, станут неотъемлемой частью интеллектуальной сети управления инновационными территориями.
Описание исследования

Все современные виды обращения с отходами (сбор и накопление, транспортирование, обработка, обезвреживание, утилизация и размещение для захоронения) сопряжены с негативным воздействием на окружающую среду. Оптимизация системы обращения с отходами производства и потребления с целью минимизации этого воздействия, повышение эффективности мониторинга и управления в данной сфере сегодня связаны со сбором и обработкой больших объемов разнородных данных, с необходимостью проведения пространственно-временной оценки потоков отходов и осуществления прогноза количественных и качественных характеристик процессов управления отходами. Это определяет необходимость использования современных методов компьютерного моделирования, технологий ГИС, средств автоматизации.

В ходе теоретических исследований использованы методы системного анализа; методы и стандарты проектирования автоматизированных систем; теория множеств и математическая логика; ситуационный подход; технологии искусственного интеллекта и геоинформационные технологии; методы компьютерного моделирования; авторские методы реализации комплексной ситуационной оценки.

На основании научного анализа объекта исследования разработаны научно-методологические принципы и концептуальные подходы к созданию технологии и распределенной автоматизированной системы интеллектуального мониторинга, прогнозирования движения потоков отходов и ситуационного управления процессами обращения с отходами производства и потребления. К технологии и ее инструментальному воплощению предъявляются требования адаптивности и универсальности.

Для реализации электронной модели схемы обращения с отходами, обеспечения визуализации и пространственно-временного анализа процессов использован программный комплекс ArcGIS 10.1.  Построение моделей оценки и прогнозирования осуществлено с использованием возможностей ситуационного моделирования, нейро-нечеткого аппарата, методов экспертных оценок, авторских программ и системы компьютерной математики MATLAB.

Построены концептуальная, функциональная и структурная модели распределенной автоматизированной системы интеллектуального мониторинга, прогнозирования и ситуационного управления обращением с отходами производства и потребления, модели ее основных подсистем. Это позволило исследовать структуру систем, их основные параметры, механизмы их взаимодействия и управления ими.

Разрабатываемая система позволит решать ряд новых задач, связанных с обеспечением не только автоматизированного сбора и обработки объективной информации в сфере обращения с отходами, но и ее интеллектуального анализа, реализации  прогнозирования и ситуационного управления обращением с отходами.

На примере Белгородской области проведен комплексный анализ: характеристик источников отходов, мест накопления; объектов сбора, транспортирования, обработки, утилизации, обезвреживания, размещения отходов; потоков движения отходов и  баланса их количественных характеристик. Разработаны соответствующие базы данных, которые с использованием инструментов пространственного анализа позволяют формировать электронные картографические материалы для осуществления визуализированного анализа информации. Рассмотрим алгоритм построения соответствующей электронной модели схемы обращения с отходами. На начальном этапе осуществляется получение и анализ исходных данных (статистической информации и векторных данных, отображающих географические объекты), выделяются объекты модели, определяются существенные атрибуты, слои, описывающие данные объекты. Далее формируется решение о достаточности объема данных; осуществляется разработка структуры атрибутивных таблиц; формирование и редактирование слоев создаваемых карт и таблиц к ним; ввод табличных и текстовых данных с характеристиками объектов; разработка знаковой системы (элементов компоновки карты); совмещение слоев с формированием картографического изображения тематических карт и его редактированием.

На основе проведенных исследований разработана перспективная схема движения отходов и целевые показатели ее реализации. Соответствующие  электронные карты демонстрируют: пространственную структуру объектов по размещению отходов (действующие полигоны, а также полигоны, планируемые для выведения из эксплуатации, модернизации, строительства), новых и реконструируемых объектов по обезвреживанию, утилизации, переработке отходов, расположение мусороперегрузочных пунктов, планируемые зоны вывоза отходов, вектора движения отходов на территории региона и за его пределами.

Результаты исследования

На сегодняшний день функционируют различные автоматизированные системы, которые решают ряд задач по управлению отходами, например, The Solid Waste Information System (Калифорния), «Русь» (Владимирская, Ульяновская обл.), «Кедр-регион» (Вологодская, Тюменская обл.), «Отходы-город» (Калужская обл.) и др. Их функции - формирование баз данных и аналитическая обработка. Компанией «Большая тройка» и ассоциацией ЖКХ «Развитие» предложена автоматизированная информационная система «Обращение с отходами», осуществляющая расчеты объемов образования отходов и тарифов, логистику, мониторинг.

Ученые из различных стран разрабатывают различные подходы и методы для построения эффективных систем управления отходами, что отражено в научных статьях Scopus и Web of Science.

Однако практически не решаются (или решаются фрагментарно) задачи прогнозирования, формирования и использования ситуационных моделей для трансформации полученной информации непосредственно в эффективные результативные управленческие решения.

В ходе научных исследований получены результаты:

– Концептуальные подходы к построению технологии интеллектуального мониторинга и прогнозирования образования и движения отходов производства и потребления и соответствующей распределенной автоматизированной системы.

– Имитационная модель потока отходов.

– Концептуальная модель процесса обращения с отходами  как объекта автоматизированного управления.

– Функциональная и структурная модели распределенной автоматизированной системы ситуационного управления обращения с отходами, наделенную  функциями: моделирование потоков отходов, пространственно-временная оценка и прогнозирование динамики потоков отходов, оценка и прогнозирование баланса количественных и качественных характеристик образования, обработки, обезвреживания, утилизации и размещения отходов; комплексная оценка и  прогнозирование результатов взаимодействия биосферы и объектов системы обращения с отходами, формирование и оценка альтернативных сценариев управления обращением с отходами.

– Методы интеллектуального анализа данных, реализуемого на базе функционирования системы рассматриваемого класса, основанные на интегрированном использовании аппарата искусственных нейронных сетей различных парадигм, нечеткого и лингвистического подходов, ГИС средств.

– Информационные и ситуационные модели пространственно-временной оценки и прогнозирования динамики потоков отходов, построенные на основе разработанных методов.

– Методы и модели формирования альтернативных сценариев управления в сфере обращения с отходами (по видам) с выбором параметров состояния компонентов биосферы и техногенных объектов, построенные на основе разработанных методов.

– Алгоритмы, реализующие разработанные методы и модели, позволяющие обеспечить их программную реализацию и ординарное функционирование распределенной автоматизированной системы ситуационного управления обращения с отходами.

– Программное обеспечение, реализующее сформированные модели и алгоритмы, с удобным интерфейсом и методическим сопровождением по его использованию, которые обеспечат возможность работы специалистов предметной области (экологи, производственники, управленцы и операторы в сфере природопользования и ЖКХ, в сфере градостроительства и развитии территорий и т.п.), не обладающих навыками системной инженерии и программирования.

 

Практическая значимость исследования
Разработанные методы и модели, их программная реализация позволят обеспечить новое решение проблемы снижения объемов образования и класса опасности отходов производства и потребления за счет реализации рациональных научно обоснованных управленческих решений в сфере обращения с отходами, адекватных сложившимся и прогнозируемым условиям развития производства и территорий.
Предлагаемая автоматизированная система наделена полным спектром функций, определяющих возможность осуществления не только сбора и обработки информации о процессах образования и движения отходов производства и потребления, схемы обращения с ними, но и комплексного интеллектуального анализа этой информации с непосредственной трансформацией в конкретные управленческие решения, а также возможностью их оценки и выбора по критериям оперативности, эколого-экономической эффективности и устойчивости к внешним воздействиям. Подобная система необходима в качестве неотъемлемой части общей интеллектуальной сети управления функциями «умных» инновационных территорий.
Полученные результаты исследования смогут быть эффективно использованы: для проведения комплексной оценки и прогнозирования природно-технического состояния территорий регионов; разработки сценариев управления и оценки конкретных мероприятий по изменению параметров технологических и производственных процессов, используемых при обращении с отходами, параметров инфраструктуры урбанизированных территорий для достижения требуемого уровня биотехносферной безопасности при организации движения потоков отходов; для проведения прогнозных оценок динамики потоков отходов при введении новых техногенных объектов с оценкой экотехногенного риска, определением допустимых технологических параметров; для прогнозирования экологической безопасности территории при строительстве и реконструкции жилых комплексов и др. социальных объектов, определения требуемых параметров территории как источника образования отходов. Использование создаваемой технологии и соответствующей автоматизированной системы позволит повысить эффективность использования исходных сырья и материалов при эксплуатации производственных объектов; обеспечивать предотвращение и значительное снижение техногенных экологических рисков.