Экспертные системы в реабилитации окружающей среды

Автор: Некрасова М. А.

Экологический факультет, Российский университет дружбы народов
Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия

Систематизация информации о методах очистки объектов окружающей среды является фундаментальной задачей экологической мелиорации природно-техногенных систем.В статье рассматриваются вопросы оптимизации подачи и получения информации о методах очистки ОС по заданным параметрам загрязненного объекта. Разработан интегральный показатель «эффективности воздействия» комплекса и отдельных методов очистки ПТС от загрязнения. Систематизация обработки информации о современных технологиях очистки окружающей среды позволяет оптимизировать выбор эффективного метода очистки по многофакторному критерию.

Реабилитация окружающей среды (ОС) является важной задачей экологии. Для решения этой задачи разработаны технологии восстановления почв, грунтов, поверхностных и подземных вод. Однако, их эффективное использование требует учета многочисленных взаимосвязанных факторов, включающих информацию о природно-техногенной системе (ПТС), свойствах и распространении загрязнений, возможностях и эффективности различных технологий восстановления ОС. Такой учет затруднен без применения компьютерных технологий обработки и анализа данных на базе искусственного интеллекта.

Экспертные системы, являющиеся одной из областей применения искусственного интеллекта, используются для анализа и обработки разных типов информации путем имитации хода рассуждения, которым бы воспользовался эксперт при решении поставленной задачи. Исследования в области искусственного интеллекта ведутся в различных странах мира. Экспертные системы успешно применяются в таких областях науки, как медицина (MYCIN, PUFF, МОДИС), химия (DENDRAL, MOLGEN), математика (MACSY-MA), геология (PROSPECTOR), планирование (POMME, ЭСПЛАН) и т. д. Ведутся исследования и разработки новых экспертных систем в экологии (табл. 1).

Анализ таблицы показывает, что исследования в области использования искусственного интеллекта в экологии направлены на создание систем мониторинга окружающей среды и прогнозирования ее состояния. Эти системы используются в управлении ОС, в частности при решении вопросов рационального использования ресурсов и территорий [4, 7]. Отдельные экспертные системы предназначены для решения узкоспециализированных вопросов без принятия решений по исправлению возникших экологических ситуаций [7]. Задачи восстановления ОС в этих экспертных системах практически не решены. В связи с этим в нашей работе предложена концепция и архитектура экологической экспертной системы (ЭЭС) для поддержки принятия решений по восстановлению окружающей среды.

Таблица 1. Экспертные системы в экологии

Название экспертной системы Объекты экспертной системы Основные задачи и функции экспертной системы Разработчик
AFS (Подсистема атмосферы) Атмосфера Мониторинг загрязнения воздуха на террито-рии США.
Особенности: База данных по всем источникам загрязнения воздуха в США, отсутствие системы прогнозирования.
США, EPA (Агентство по охране ОС) [6]
ЭС для обработки данных контроля загрязнений атмосферы Атмосфера Контроль загрязнения атмосферы.
Особенности: Математические модели и наборы экспериментальных данных играют роль факторов, а правила устанавливаются с помощью статистических методов.
Россия, РАН С-Петербургский НИЦ экологической безопасности Рас-тоскуев В.В. [6]
ИЭС «Гидро Прогноз» Гидросфера Оценка экологического состояния и контроля за использованием гидроресурсов.
Особенности: Возможность как расчетного, так и эвристического анализа и прогнозирования состояния гидросистемы.
Россия, Институт вычислительного моделирования СО РАН Ноженкова Л.Ф. [5]
ЭС «Определение качества питьевой воды» Вода Анализ и прогнозирование качества воды.
Особенности: Возможность определения наличия вирусов без специальных тестов, узкая специализация.
Россия, РАИИ [7]
Каспий и Азов Гидросфера Анализ и прогнозирование ресурсов. Поддержка принятия решений по квотированию ресурсов (биологические рыбные запасы каспийского и Азово-Черноморского бассей-нов).
Особенности: Возможность научно-обоснованной оценки, прогнозирования и управления популяцией рыб.
Россия, РАИИ [7]
Информационная экспертная система экологического мониторинга Гидросфера и литосфера Оценка экологического состояния окружающей среды.
Особенности: Развитые возможности статистической обработки данных мониторинга, отсутствие системы принятия решений по управлению ОС.
Россия, Л.В. Александрова, В.Ю. Васильев, А.Н. Огурцов, 1999 [3]
ТЕРРА Литосфера Экологический мониторинг и планирование застройки новых городов.
Особенности: Большая экспериментальная база, не затронуты вопросы восстановления ОС.
Россия, МИФИ (Рыбина Г.В., Рыбин И.В., Калинина Е.А., Петухов Д.М.) [4]
ЭС «Санитарно-лабораторная экспертиза продуктов питания» Продукты питания Анализ качества продуктов питания.
Особенности: Возможность определения причин ухудшения качества продуктов, узкая специализация.
Россия, РАИИ [7]

Для принятия управленческих решений экологическая экспертная система (ЭЭС) должна решать следующие классы задач:

  • мониторинг состояния ОС;
  • идентификация опасных экологических ситуаций;
  • прогнозирование развития этих ситуаций;
  • разработка комплекса мер по восстановлению состояния ОС;
  • управление процессом восстановления на основе механизмов обратной связи.

Решение этих задач возможно путем интеграции в системе соответствующих подсистем. Каждая подсистема концентрирует в себе знания экспертов, необходимые для решения поставленной перед нею задачи.

Для хранения экспертных знаний применяется «база знаний», которая содержит информацию о методах и технологиях реабилитации ОС, особенностях их применения, методах оценки состояния ОС, типичных и граничных параметрах объектов ОС, физических, химических и др. законах взаимодействия объектов ОС и т. д. Особенностью «базы знаний» является то, что ее структура (в отличие от структуры обычных баз данных), позволяет вести поиск информации «разумно», исключая заведомо ложные ветви рассуждений. Механизм работы с «базой знаний», реализованный в ЭЭС, позволяет системе автоматически получать новые знания на основе входных данных и дополнять ее новыми закономерностями.

Для обмена информацией с внешней средой ЭЭС включает в себя подсистему общения, выполняющую следующие функции: ведение диалога с пользователем, выдача объяснений о ходе рассуждений системы, осуществление связи с внешними базами данных и подключаемыми модулями, ведущими сбор информации в реальном времени. Эта подсистема в ЭЭС выделяется тем, что используются специально разработанные наводящие вопросы для получения требуемой информации, т.к. пользователь зачастую слабо знаком с предметной областью знаний, требуемых ЭЭС.

Данные об окружающей среде, требуемые для работы ЭЭС, различаются как по источникам информации (результаты аналитических и дистанционных измерений, официальная статистика и т. п.), так и по целям, с которыми была получена информация (фундаментальные научные исследования, практическая деятельность и т. п.). Сведения имеют разную степень достоверности и описывают различные объекты окружающей среды [6]. При обработке данных об окружающей среде ЭЭС приводит их в единый масштаб и указывает не только значение величины, но и достоверность этих сведений. Достоверность сведений определяется, исходя из источника поступления данных, методов определения параметров ОС, даты проведения измерений, а также результатов статистической обработки и т. д. Для обработки качественной информации о параметрах ОС, применяются методы математики нечетких множеств, позволяющие количественно оценивать такие значения.

Основной проблемой, возникающей при работе ЭЭС, является выбор и оптимизация мер по восстановлению ПТС с учетом технических и социально-экономических факторов. Разработанный нами алгоритм дает возможность решить эту проблему.

В общем случае, процесс восстановления ОС может быть представлен в виде комплекса мер по управлению загрязненной ПТС.

Загрязненная ПТС может быть описана конечным количеством параметров (геологических, экономических, химических и др.). Эти параметры можно представить в виде множества N, где каждому члену множества присваивается определенное значение. В данном случае состояние ПТС после восстановления можно описать множеством параметров N'. Множество N' состоит из конечного количества параметров, значения которых выбираются в зависимости от дальнейшего использования территории. Множество N' содержит все члены множества N. В N' также могут содержаться другие параметры, описание которых необходимо для учета влияния технологий восстановления окружающей среды на ПТС.

Все технологии восстановления ОС можно представить в виде множества R, каждый член которого Ri описывает определенную технологию. Технология Ri воздействует на различные параметры из множества N и изменяет N до NRi, промежуточного между N и N'.

Для восстановления ПТС, описываемой множеством N необходимо применить n технологий восстановления Ri таким образом, чтобы сумма их воздействия равнялась N' (рис. 1):

Экспертные системы в реабилитации окружающей среды
Экспертные системы в реабилитации окружающей среды

Рис. 1. Процесс восстановления ПТС.

В идеальном случае, всегда можно подобрать такую сумму технологий, при которой задача решается.

В реальной ситуации существует ряд ограничений:
1) отсутствуют технологии, позволяющие восстановить все параметры ПТС до требуемого уровня;
2) некоторые технологии невозможно комплексно использовать;
3) минимальная экономически приемлемая эффективность восстановления.

Эти ограничения решаются при работе ЭЭС в несколько этапов.

1. Определяется множество параметров N'. Это множество отражает то состояние ПТС, которое требуется достигнуть после восстановления территории.
2. Выбирается критерий, разделяющий множество N и N' на 2 части: (NP и N'P) и (NUP и N'UP). Множество NP выбирается в зависимости от дальнейшего использования территории. Множество NP содержит параметры, изменение значений которых важно для дальнейшего использования. Полученный в ходе работы ЭЭС комплекс мер по восстановлению ПТС должен гарантировать изменение NP до N'P состояния. Множество NUP содержит те параметры ПТС, изменение которых желательно, но не обязательно при дальнейшем использовании территории.
3. Все технологии из R систематизируются по показателю Fsl. Fsl – интегральный показатель эффективности воздействия на загрязнитель [1].
4. Технологии восстановления систематизируются по степени их воздействия на компоненты окружающей среды.
5. Каждой технологии присваивается ранг, зависящий от возможности комплексного использования этой технологии с другими.
6. Используя Fsl ЭЭС может выбрать из множества R несколько – n технологий RP. Технологии из множества RP позволяют изменить параметры из множества NP до требуемого уровня N'P. Далее, для подготовки ПТС к использованию основных технологий RP система выбирает несколько – n' технологий RUN, подготавливающих территорию к применению RP. Для окончательного восстановления территории до состояния N', ЭЭС выбирает несколько – n''технологий RAF. Эти технологии воздействуют на ПТС и изменяют, если возможно, состояние ПТС до уровня N'.

В результате уравнение (1) преобразуется с систему уравнений:

Экспертные системы в реабилитации окружающей среды

Схема работы ЭЭС представлена на рис. 2.

Описание работы ЭЭС

Данные о текущем состоянии ПТС и требуемых условиях ее восстановления вводятся в ЭЭС пользователем в начале работы. Система проверяет достоверность этих данных и дополняет их с помощью подключаемых модулей, одним из которых может быть ГИС-система. Собранные данные анализируются с целью идентификации опасных экологических ситуаций и прогнозирования их развития. Результаты анализа используются при принятии решения о комплексе параметров ПТС, требующих восстановления. Прогноз распространения загрязнения влияет на принятие решения о методах его локализации. ЭЭС предусматривает комплекс мер по очистке ПТС от загрязнений, мелиорации территории и восстановлению ее биологического разнообразия. Подобранные методы и технологии интегрируются с целью повышения эффективности восстановления ОС и снижения затрат. Для контроля и управления процессом восстановления, в системе предусмотрены механизмы обратной связи, позволяющие по данным текущего мониторинга восстанавливаемой ПТС вводить поправки в ход восстановления.

Таким образом, при возможности полного восстановления всех параметров ОС создается комплекс мер, направленных на это. При наличии каких-либо ограничений (технологических, экономических и пр.) работа ЭЭС направляется на восстановление наиболее значимых для дальнейшего использования территории параметрах, остальные параметры восстанавливаются по возможности.

Интеграция ГИС-систем в экологическую экспертную систему позволит получить наиболее полные и достоверные данные по восстанавливаемой территории.

Предлагаемая ЭСС может использоваться для анализа и прогнозирования развития экологической ситуации и поддержки принятия решений по восстановлению ОС на различных территориях. Наличие обратной связи позволяет контролировать ход восстановления ОС и, при необходимости, вводить поправки в этот процесс.

Экспертные системы в реабилитации окружающей среды

Рис. 2. Схема работы экспертной экологической системы.

Заключение

Анализ исследований и разработок в области применения экспертных систем в экологии показывает, что вопросы управления восстановлением ОС разработаны недостаточно. В связи с этим, требуется создание экологической экспертной системы, целью которой будет поддержка принятия решений по восстановлению окружающей среды.

Предлагаемая ЭЭС на базе искусственного интеллекта дает возможность сконцентрировать знания экспертов по экологии, геологии, физике, химии, медицине и пр. в одном месте и направить их на решение проблем восстановления ОС.

Разработанный нами алгоритм выбора и оптимизации мер по восстановлению окружающей среды позволяет повысить эффективность процесса и уменьшить его стоимость. Это достигнуто за счет интеграции различных методов и технологий восстановления. В ходе реабилитации сначала происходит воздействие на наиболее приоритетные параметры окружающей среды, значение которых важно для дальнейшего использования территории.

Наличие обратной связи, позволяет контролировать ход и оперативно корректировать процесс восстановления.

ЭЭС дает возможность комплексного решения проблем ПТС по схеме: удаление источника загрязнения – очистка местности – утилизация (вторичное использование) загрязнителя – рекультивация участка – восстановление экологического баланса.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Некрасова М.А. Автореф. дисс. «Закономерности электрохимической миграции ионов металлов и жидких углеводородов в дисперсных грунтах». – М.: МГУ, 1999. – 24 с.
  2. Гаврилов А.В., Новицкая Ю.В. Разработка экспертных систем Структура экспертных систем
  3. Информационная экспертная система экологического мониторинга
  4. Рыбина Г.В., Рыбин И.В., Калинина Е.А., Петухов Д.М. Разработка интегрированных экспертных систем в области экологии на основе Levels Object
  5. Проекты СО РАН в области геоинформационных технологий
  6. Ecological Safety of North-West Russia
  7. Разрабатываемые технологии и системы