Інформаційні технології для моніторингу та адаптивного управління сміттєзвалищами

Abstract

Курило А.В. Інформаційні технології для моніторингу та адаптивного управління сміттєзвалищами – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за фахом 122 «Комп'ютерні науки» – Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору. Національної академії наук України, Київ – 2023. У дисертаційній роботі вирішено наукове завдання, підвищення достовірності інформаційних систем екологічного моніторингу сміттєзвалищ, на основі використання мобільних комплексів геоінформаційних та аерокосмічних технологій. У дисертаційній роботі poзв'язaна актуальна науково-прикладна задача розроблення теоретичних і прикладних засад побудови інформаційних технологій комплексної оцінки природно-техногенної системи, в якій джерелом впливу є сміттєзвалище та оцінку достовірності передачі інформації з БПЛА в умовах впливу промислових перешкод для управління та моніторингу сміттєзвалищами територіальних громад. У вступі обґрунтовано актуальність роботи, та зв'язок з актуальним напрямом науково-технічної політики України, сформульовані мета та задачі досліджень, розкрито наукову новизну та практичну цінність роботи, представлено її загальну характеристику. У першому розділі проаналізовано тeндeнцiï розвитку систем моніторингу та адаптивного управління сміттєзвалищами. У залежності від цільової функції та обмежень застосовуються задачі математичного програмування для створення необхідних комп'ютерних моделей забезпечення передачі інформації для адаптивного управління та моніторингу сміттєзвалищами. Розглянуто адаптивну модель для системи управління сміттєзвалищами, яка включає у себе сучасні інформаційні технології, стратегічний менеджмент, нові характеристики процесу організації системи управління на стаціонарних сміттєзвалищах. У другому розділі розглянуто модель достовірності передачі екологічної інформації в системах моніторингу сміттєзвалищ з погляду завадостійкості. Аналіз проведених моніторингових досліджень сміттєзвалищ територіальних громад показав зведену модель усіх компонентів довкілля. Проведено моніторингові дослідження сміттєзвалищ територіальних громад, відібрано проби компонентів довкілля та запропоновано комплексну модель відбору проб. Під час наукових досліджень запропоновапно нові науково-методичні підходи та удосконалено методику проведення екологічного моніторингу з використанням БПЛА, яка є основою оперативного виявлення джерел забруднення в ході проведення спостереження за заданою територією. На території дослідження протягом 2018 – 2022 років проведено відбір проб ґрунтів, води, донних відкладів та систематизовано схеми відбору проб по усіх блоках, де враховано контроль за станом гамма-випромінювання, контроль за станом ґрунтів та атмосферного повітря (СО, SО2, NO2). Аналітична модель оцінювання якості виконання екологічних завдань моніторингу за допомогою безпілотних літальних апаратів (БПЛА) є необхідною для забезпечення ефективності та точності збору інформації про стан довкілля за Основними складовими цієї моделі є визначення метрики якості, відповідними параметрами та та критеріями. При передачі інформації розглядаються різні види промислових перешкод: шумова загороджувальна перешкода, шумова перешкода в частині смуги та перешкода у відповідь. Цим моделям характерний обмежений по смузі білий гаусівський шум. При впливі промислових перешкод використовується g s K субканалів системи OFDM для передачі одного пакету інформації. Якщо промислові перешкоди відсутні використовується один субканал для передачі одного пакету інформації. За умови впливу шумової загороджувальної перешкоди на безпровідну мережу враховується спектральна щільність потужності промислової перешкоди, а також частина смуги частот, де є присутня перешкода. Коефіцієнт розширення спектра характеризує міру збільшення відношення сигналу промислових завад в результаті згортання досліджуваної смуги частот радіосигналу і приведення її до інформаційного сигналу. При розширенні спектра з використанням кодів, утворених за допомогою функцій Радемахера, коефіцієнт розширення спектру в гібридній схемі дорівнює добутку коефіцієнтів розширення спектру, які отримуються окремо для кожного з методів. Таким чином, середня ймовірність бітової помилки декодування при використанні кодів Ріда-Соломона визначається аналітичним виразом, який враховує бітову послідовність кодового символу, кількість помилкових біт у символі, які може виправити код, середню бітову помилку для різних видів промислових завад, яка розраховується для конкретної завадової обстановки. У третьому розділі розглянуто інтерполяційні методи в системах контролю екологічної обстановки сміттєзвалищ. Проведено виявлення забруднень, які створюють сміттєзвалища за умови достатньої або надмірної щільності вимірів та представлення територій сміттєзвалищ із застосуванням сплайн-проксимації. При використанні кубічного сплайна, заданого локально, метод застосовується для опису сміттєзвалищ за даними про забруднення, виміряними технічними засобами при необхідній щільності вимірів. Для побудови карт сміттєзвалищ використовувався також бікубічний сплайн, а для корекції даних забруднення застосовано метод локальної інтерполяції з використанням результатів аерофотознімків. У роботі розглядалися ряд інших підходів, заснованих на використанні методів інтерполяції при обробці даних моніторингових досліджень, зокрема: адаптивні сітки; тріангуляції, за наявності широко розгалуженої мережі стаціонарних датчиків, зв'язаних з каналами зв'язку. Якщо ж є інформація про напрям вітру у момент формування забруднення, то показник набуває форми еліпса. Така конфігурація пояснюється тим, що значення градієнта на однаковому видаленні від джерела забруднення більше в поперечному перерізі сліду, чим в подовжньому. Звідси витікає, що кореляційні зв'язки між перерізами випадкового процесу зберігаються на більшій відстані в подовжньому напрямі сліду, ніж у поперечному. Методика відновлення поля моніторингу на основі методу лінійної оптимальної інтерполяції на сміттєзвалищах нині є найбільш перспективною для використання в комп'ютерних програмах, але вимагає подальшого розвитку в частині розробки методу побудови меж, які розділяють поля моніторингу по вибірці вимірів і уточнення виду кореляційної і вагової функцій поля моніторингу. Для вирішення поставлених задач на території Тернопільської області закладена мережа спостережень, яка здебільшого рівномірно охоплює весь полігон – 108 геоекологічних точок спостережень, у якій проводився відбір проб для різних видів аналізів. Визначальним чинником для «прив'язки» полігону сміттєзвалищ до до точок місцевості склала наявність ландшафтних одиниць, які залежали від літогенної основи, рельєфу, типів ґрунтів і контурів ґрунтових вод. При виборі полігону для розташування об'єкта чи проведення досліджень враховується низка факторів, які запускають ландшафтні особливості: грунти , редьєф, поверхневі води. При дослідженнях було охоплено усі ці особливості таким чином, щоб на кожній одиниці населеного пункту, на якій розміщені сміттєзвалища, розташувалось орієнтовно 5 геоекологічних точок. Було встановлено, що стихійні сміттєзвалища в основному розташовані у місцях русел річок та потічків, що протікають територією громад. Виходячи з експерементальних досліджень встановлено, забруднення грунтів, поверхневих та підземних вод території Тернопільської області, переважно задовільний. В окремих точках спостережень виявлено техногенне забруднення поблизу сміттєзвалища м. Тернопіль. У четвертому розділі розглянуто технології забезпечення передачі екологічної інформації в системах екологічного моніторингу сміттєзвалищ. В умовах складної екологічної обстановки ефективне функціонування передавальних пристроїв можливе із встановленням на передавальному боці оптимальних управляючих дій, які змінюють вид кодових конструкцій та кількість субканалів які використовуються. Сутність запропонованого методу полягає в адаптивній зміні параметрів кодування даних у випадку коли завадова обстановка змінюється в каналі зв'язку і одержуємо максимальне значення енергетичної ефективності та відповідно задане значення достовірності прийому інформації. Методи адаптивних значень забезпечують оптимальний режим функціонування системи за рахунок автоматичної перестройки алгоритму, коректування надмірності повідомлень і сигналів, структури кодуючих і декодуючих пристроїв та інших необхідних заходів. Програмний модуль моніторингу сміттєзвалищ створено за допомогою проблемно-орієнтованого проекту ArcMap у вигляді документів для виводу до друку у форматі MS Word та MS Excel. В документ MS Word входить копія карти території, яка оцінювалася, та таблиці результатів розрахунку ризиків. Забезпечується можливість коригування та друку підсумкового документу засобами MS Office. За допомогою програмного забезпечення здійснюється формування картографічного вікна з необхідним переліком картографічних шарів, які відображають розподіл значення ризику по території та необхідне картографічне оточення. Передача відповідної оцінки забруднення екологічного стану необхідна для забезпечення відповідних державних та місцевих органів управління необхідною обєктивною екологічною інформацією для прийняття рішень. Автоматизована система раннього виявлення екологічних загроз контролює такі речовини: БСК5, нафтопродукти, азот амонійний, нітрати, нітрити, залізо, СПАР, алюміній, мінералізація, цинк, ХПК, мідь, нікель, хлор. Проводиться моніторинг викидів забруднюючих речовин в атмосфповітря (СО, СO2, NO, N2O СН4) (екологічні пости. метеорологічні параметри, O2 та рН вимірюються автоматично). Моніторингові дослідження показали, що перспективним і прийнятним є факторний аналіз, зокрема, метод головних компонент, який дозволяє узагальнювати значення відповідних значень та знижувати розмірність показників факторного поля.