CC BY
22
СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ПРОЦЕССЫ В СОВРЕМЕННОМ ОБЫЕСТВЕ И МЕТОДОЛОГИЯ И% ИССЛЕДОВАНИЯ
И.А. ИЛЬЧЕНКО, канд. хим. наук, доцент кафедры менеджмента и государственного и муниципального управления ТИУиЭ
КОГНИТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ ЛОКАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ЕЕ КАЧЕСТВОМ
Качество окружающей среды является одним из важнейших критериев, необходимых для обеспечения устойчивого развития и удовлетворения потребностей населения с учетом показателей здоровья, а его поддержание на приемлемом для жизнедеятельности уровне предполагает эффективное сочетание методов контроля параметров среды и методов управления ими [1]. В настоящее время для решения проблем стратегического управления состоянием природных объектов в изменяющейся внешней среде, которая подвергается непрерывному загрязнению, наиболее перспективно использовать когнитивные технологии, опирающиеся на ориентированные графы. Преимущества когнитивной модели позволяют исследовать не только прямые, но и обратные связи, присутствующие в любой сложной сш-теме, благодаря чему возможно получение более дос -товерных результатов моделирования, в том числе касающихся анализа и прогноза [2-4].
Для изучения процессов взаимодействия компонентов городской экосистемы в условиях антропогенного химического загрязнения была разработана когнитивная карта, опирающаяся на среднемноголет-ние данные экологического и социально-гигиенического мониторинга г.Таганрога и отражающая пути миграции химических загрязнителей в городской экосистеме (рис.1, табл.1). Построение когнитивной карты и последующее ситуационное моделирование было проведено с помощью вычислительных программ ПС КМ [5, 6], а в качестве контролируемых параметров были выбраны главные показатели степени благоприятности городской среды обитания -загрязнение воздуха, загрязнение почв, состояние растительности и здоровье населения. Исследуемая урбоэкосистема включает две подсистемы - абиотическую и биотическую. Абиотическая подсистема представлена воздушным бассейном, почвами и подземными водами, используемыми для хозяйственно-
питьевого водоснабжения горожан, тогда как биотическая подсистема образована преимущественно рас -тительностью и населением города (вклад зооценоза и микробоценоза в ее функционирование и поддержание экологического равновесия невелик [7]).
Анализ когнитивной карты и проведенного на ее основе ситуационного моделирования показывают, что в городской экосистеме имеются два аккумулятора загрязнителей - воздушный бассейн (подвижная среда) и почва (неподвижная среда), выступающих, соответственно, в качестве обменного и резервного фондов миграции загрязнителей. В городской экосистеме отмечается сильное взаимодействие между входящими в ее состав подсистемами и их компонентами, что особенно отчетливо проявляется в условиях антропогенного загрязнения и выражается в миграции первичных и образовании вторичных загрязнителей. Так, атмосферные загрязнители (вершина V1), источником которых являются стационарные (промышленные предприятия, автозаправочные станции, котельные и т.д.) и подвижные источники (транспорт), вызывают загрязнение почвы и ухудшение состояния растительности и непосредственно влияют на здоровье городского населения. Цикл V1-V3-V1 характеризует взаимодействие растительности и уровня загрязнения воздуха, что отражается, в свою очередь, и на химическом составе атмосферного воздуха, и на состоянии зеленых насаждений. Контур V4-V3-V1-V4 отражает взаимодействие аэро-, reo- и биосистем (роль последней представлена функциями ее растительной составляющей) при поддержании естественных параметров среды. Кроме того, использование подземных водоисточников для хозяйственно-питьевого водоснабжения (в частности, для удовлетворения потребности населения в питьевой воде) объясняет целесообразность их включения в данную схему и показывает опосредованное влияние загрязнения воздуха на здоровье людей.
v3.Состояние растительности
т \
v4.Загрязнение почв
v2.3flopoBbe'населения
Р
ие подземных вод
v5.Загрязнение грунтовых вод
Рис. 1. Когнитивная карта «Механизм локального химического загрязнения компонентовурбоэкосистемы»
Таблица 1
Весовые коэффициенты процессов миграции загрязнителей
№ п/п Вершины дуг Весовые коэффициенты
1. Загрязнение воздуха Здоровье населения -0,4
2. Загрязнение воздуха Состояние растительности -0,4
3. Состояние растительности Загрязнение воздуха -0,2
4. Загрязнение воздуха Загрязнение почв 0,7
5. Загрязнение почв Состояние растительности -0,3
6. Загрязнение почв Загрязнение грунтовых вод 0,5
7. Загрязнение грунтовых вод Загрязнение подземных вод 0,5
8. Загрязнение подземных вод Здоровье населения -0,3
9. Загрязнение почв Загрязнение воздуха 0,2
10. Состояние растительности Загрязнение почв -0,1
11. Состояние растительности Здоровье населения -0,1
Анализ когнитивной карты позволяет сделать вывод о том, что некоторые поллютанты воздушной среды могут не только мигрировать по маршруту V1-V4-V5-V6-V2, но и инициировать образование вторичных загрязнителей в почве и их последующую миграцию по данному маршруту и, соответственно, дополнительное негативное влияние на здоровье горожан [1]. С другой стороны, взаимодействие аэро-, reo- и биосистем приводит к поступлению загрязнителей из почв в атмосферный воздух, обусловливает влияние состояния растительности на загрязнение почв, включая миграцию загрязнителей с отмершими частями растений в почву, а также влияние растительности на здоровье населения. Действительно, биокосная природа почв предопределяет их особую роль в городских экосистемах: во-первых, они являются субстратом для произрастания зеленых насаждений, а более 30% городских почв используется для выращивания продуктов питания; во-вторых, они способны накапливать ксенобиотики, удерживать их в течение длительного времени в виде сорбционных комплексов и тем самым препятствовать их проникновению в почвенно-грунтовые воды; в-третьих, химическое загрязнение почв наряду с воздействием других антропогенных процессов приводит к сокращению биоразнообразия почвенной микрофлоры, изменению pH и структуры почвы, вследствие чего значительное количество пыли, а вместе с ней и почвенные загрязнители поступают в атмосферный воздух. Загрязнение почв тяжелыми металлами, осаждающимися из воздуха, приводит к потере ими про-
дуктивности и способности к самоочищению, а также к снижению и утрате экологических функций почвенного покрова [1-2].
Разработанная модель урбоэкосистемы не рас -сматривает движение воздушных масс, в результате которого происходит рассеивание загрязнителей и снижение загрязнения воздушного бассейна в пределах городской территории. В связи с этим проведенное моделирование по своему характеру является нединамическим и, следовательно, позволяет оценить вероятные критические уровни загрязнения городской среды обитания с позиций установления предельно допустимых уровней загрязнения и предельно допустимых концентраций поллютантов.
В когнитивной карте присутствуют четыре цикла с положительной обратной связью: VI^У3, VI ^V4, V4^V3 ^V4, V4^VI ^V3 ^V4, что свидетельствует в пользу структурной неустойчивости системы. Однако расчет собственных чисел матрицы отношений показал, что всего таких чисел 6, из них максимальное по модулю составляет 0,52, позволяя ожидать проявления системой определенной ус -тойчивости [8].
В сценарии 1 активизировалась вершина VI «Загрязнение воздуха» путем внесения импульсов разной величины и кратности (табл.2, рис.2 и 3), при этом в процессах 1 и 2 (табл.2) характер изменения контролируемых параметров почти аналогичен: на первом такте процесса в вершину VI вносится импульс и уже со второго такта начинает увеличиваться загрязнение почв и ухудшаться состояние раститель-
ности и здоровье населения, далее характер изменения этих параметров сохраняется, но темпы изменений постепенно замедляются, а к шестому-седь-мому тактам наблюдается стабилизация этих показателей.
В третьем процессе этого сценария (табл.2, рис.4) импульс величиной д^+0,1 вносится последовательно с первого по десятый такты процесса, что приво-
дит к непрерывному росту уровней загрязнения воздуха и почвы и снижению величин таких параметров, как состояние растительности и здоровье населения. Однако после прекращения возмущающего воздействия на систему изменение её контролируемых характеристик замедляется, а к тринадцатому-четырнад-цатому тактам наблюдается их стабилизация.
Таблица 2
Влияние уровня загрязнения атмосферного воздуха на изменение контролируемых параметров
№п/п Величина импульса % Величина амплитуд стабилизации контролируемых па] эаметров
Загрязнение воздуха Состояние растительности Загрязнение почв Здоровье населения
1. +0,1 0,132 -0,072 0,099 -0,063
2. +1,0 1,323 -0,176 0,998 -0,576
3. +0,1 (такты 1-10) 1,316 -0,577 0,985 -0,625
Рис. 2. Внесение импульса д1 =+0,1 в вершину VI
Рис. 3. Внесение импульса д1=+1,0 в вершину VI
Рис. 4. Последовательное внесение импульса д1=+0,1 в вершину VI с 1 по 10 такты моделирования
Загрязнение воздуха Здоровье населения Состояние растительности Загрязнение почв
0.103
0.084
0.064
0.045
0.026
0.006
-0.013
-0.032
-0.051
----1 ! ,
1
7 — 1 ....
1 1 1
-1
;
- -н - - 1 ■'■----1-1- ^—
9 10 11
Рис. 5. Внесение импульсов д1=+0,1 в вершину VI и д3=+0,1 в вершину V3 когнитивной карты 2
Рис. 6. Внесение импульсов д1=+0,1, д3=+0,1, д6 =-0,1 в вершины VI V3, V6когнитивной карты 2
Загрязнение воздуха Здоровье населения Состояние растительности Загрязнение почв
----
0.178 0.121 ___________________ ......
: - 1 * : : : : : : :
' ■ ,К 1 1 1 1 1 1 1 1
0.065 0.008 -0.049
\ 111111111
\1
-0.105 1111111
-0.162 _ 1
3123456789 10 11
Рис. 7. Внесение импульсов д1 =-0,1, д3=+0,1, д6=-0,1 в вершины VI, V3, V6
Во всех трех процессах стабилизация уровня загрязнения воздуха происходит при величине амплитуды, превышающей на 32% общую величину внесенного импульса вследствие усиления внешнего возмущения одновременно тремя циклами с положительной обратной связью (УЗ^-^^УЗ, V1^■V4 и V4^■V3^■VIТак, загрязнение воздуха ухудшает состояние растительности и тем самым уменьшает её способность поглощать загрязнители из воз -душной среды, загрязнение почв ксенобиотиками из воздуха изменяет её структуру, состав и физико-химические и др. свойства, и она перестает быть только объектом загрязнения и становится источником загрязнения воздушной среды. Почвенные загрязнители, проникая в организмы растений, понижают их толерантность по отношению к др. экологическим факторам, в том числе и к атмосферным загрязнителям, поэтому состояние растительности дополнительно ухудшается, как и её поглотительная способность по отношению к атмосферным поллю-тантам [1]. Таким образом, загрязнение воздуха оказывает не только прямое влияние на здоровье населения и состояние растительности и почв и опосредованно влияет на здоровье населения, но и косвенно воздействует на себя через загрязнение почв и ухудшение состояния растительности по принципу положительной обратной связи. Взаимодействие компонентов урбоэкосистемы в случае химического загрязнения осуществляется между подсистемами воздух-почва, почва-растительность и растительность-воздух по принципу положительнойобратной связи и проявляется как в миграции первичных загрязнителей, так и в образовании и миграции вторичных пол-лютантов.
Следующий этап моделирования был направлен на выяснение роли растительности в поддержании качества городской среды обитания (сценарий 2). Одновременная подача импульсов величиной +0,1 в вершины VI и V3 (рис.5) несколько изменяет поведение контролируемых параметров по сравнению с процессом 1 (см. табл.2, рис.2), вызывая их колебания со второго по четвертый такты и стабилизацию к пятому-шестому тактам на менее высоких значениях. Такое поведение показателей экосистемы свидетель-
ствует о положительном влиянии мероприятии по озеленению на ее состояние.
Анализ результатов моделирования процессов распространения химических загрязнителей в урбо-экосистеме согласно сценариям 1 и 2 показывает, что использование подземных водоисточников, расположенных на территории города, в качестве источников питьевого водоснабжения представляет серьезную угрозу здоровью горожан и подтверждается средне-многолетними данными социально-гигиенического и экологического мониторинга окружающей среды г.Таганрога [9]. Поэтому в сценарии 3 была изучена эффективность введения дополнительной процедуры очистки воды из подземных водоисточников перед её подачей в городскую водопроводную сеть ^6=-0,1) при сохранении тенденций загрязнения воздуха и проведения озеленения городской территории ^1=+0,1; qз= +0,1). Результаты моделирования, представленные на рис.6, демонстрируют уменьшение отрицательного воздействия недоброкачественной питьевой воды на здоровье населения, хотя стабилизация остальных изучаемых показателей происходит на тех же уровнях, что и в предыдущем случае (рис.5).
Комплексный подход к улучшению городской среды обитания (сценарий 4) сочетает меры по защите атмосферного воздуха от загрязнения стационарными и подвижными источниками ^ = -0,1), по озеленению территории = +0,1) и очистке воды из подземных водоисточников = -0,1) и является наиболее эффективным, поскольку дает возможность снизить исходные уровни загрязнения воздуха и почв и улучшить состояние растительности и здоровье горожан (рис .7)
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы и рекомендации. Во-первых, применение когнитивных технологий для решения проблем стратегического управления состоянием природных объектов в условиях химического загрязнения является перспективным, поскольку разработка когнитивных карт и последующее моделирование на их основе различных сценариев изучаемых процессов позволяет не только прогнозировать возможность возникновения определенной экологической пробле-
мы в данном объекте (например, загрязнение подземных источников водоснабжения, ухудшение здоровья населения и др.) и промоделировать вероятность ее развития, но и заранее предпринять комплекс мер (экологических, экономических, административных и др.) по снижению степени экологического риска. Во-вторых, полученные результаты сценарного моделирования показывают, что процессы обмена веществом и энергией, протекающие в городской экосистеме и играющие важную роль в поддержании экологического равновесия, импульсно неус-тойчивы вследствие сложных взаимодействий между составляющими ее подсистемами и их компонентами, а также благодаря таким ее свойствам, как сверхоткрытость, сильная зависимость от внешнего окружения, повышенная аккумулятивность и т.д.[10]. Поэтому поддержание сложной организации, особой внутренней структуры и приемлемых для жизнедеятельности горожан условий окружающей среды требует затраты больших количеств энергии и больших организационных усилий на всех уровнях управления. В-третьих, для достижения наиболее благоприятных значений параметров городской среды обитания и улучшения здоровья горожан следует использовать комплексный подход, сочетающий проведение мероприятий по защите атмосферного воздуха от загрязнения стационарными и подвижными источниками и озеленению (в частности, фитомелиорации, включающей как подбор оптимального для данной климатической зоны видового состава древесных и кустарниковых насаждений, газонов и цветников, так и схем их посадки с учетом характера городской застройки и уровня загрязнения воздуха и почв отдельных районов), а также предварительной очистке вод из подземных водисточников перед подачей их в городскую водопроводную сеть.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ильченко ИА. Управление качеством окружающей среды при химическом загрязнении. Таганрог: Изд-во ТИУиЭ, 2004.
2. Ильченко ИА., Горелова Г.В. Когнитивное моделирование процессов локального химического загрязнения городских экосистем// Труды IV Международной конференции: Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций (CASC'2004). М.: Изд-во ИПУ РАН, 2004. 4.1.
3. Белое П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в биосфере. М.: Изд. Центр «Академия», 2003.
4. Качаее С.В., Корноушенко Е.К. и др. Когнитивные модели и технологии интеллектуальной поддержки решений // Новая парадигма развития России (комплексные исследования проблем устойчивого развития) /Под ред. В.АКоптюга и др. М.: Academia; изд-во МГУК, 1999.
5. Иьявченко О.Н., Горелова Г.В. и др. Методы и алгоритмы развития сложных ситуаций. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003.
6. Кулъба В.В., Кононов Д.А. и др. Сценарный анализ динамики поведения социально-экономических систем. М, 2002.
7. Ильченко ИА. Экологическое равновесие городских экосистем //Вестник Таганрогского института управления и экономики.2005. №1.
8. Касты Дж. Большие системы. Связность, сложность, катастрофы. М.: Мир, 1982.
9. Егорова И.П. Среда обитания и здоровье населения г.Таганрога. Таганрог: Изд-во «Сфинкс», 1995.
10. Владимиров В.В. Урбоэкология: Курс лекций. М.: Изд-во МНЭПУ, 1999.
В.П. КАРЕЛИН, д-р техн. наук, профессор, О.Л. КУЗЬМЕНКО,
аспирантка кафедры математики и информатики ТИУиЭ
КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОГО РАСПОЗНАВАНИЯ СИТУАЦИЙ
Принятие ответственных решений с последствиями, влияющими на жизнь многих людей, становится в современном мире все более сложным делом. Ранее представлявшиеся изолированными проблемы оказываются взаимосвязанными. Растет не только число факторов, которые необходимо принять во внимание, но и количество возможных вариантов решений [1]. Особую актуальность приобретают задачи автоматизации выбора рацио нальных решений при управлении различного рода организа-
ционными системами, к которым относятся социальные, экономические, экологические и др. Наряду с поиском и внедрением оптимальных методов планирования и управления большое внимание уделяется развитию новых подходов к выработке управляющих решений на основе повышения уровня интеллектуальности используемых моделей и перевода слабо-структурируемого творческого процесса выбора и принятия решений (ПР) из полуинтуитивной области в область формальных строго обоснованных решений.
