Разработка мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной среды региона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.10, кандидат технических наук Доронина, Екатерина Геннадьевна

  • Доронина, Екатерина Геннадьевна
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2011, Старый Оскол
  • Специальность ВАК РФ05.13.10
  • Количество страниц 190
Доронина, Екатерина Геннадьевна. Разработка мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной среды региона: дис. кандидат технических наук: 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах. Старый Оскол. 2011. 190 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Доронина, Екатерина Геннадьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ.

1.1 Проблемы управления экологической безопасностью воздушной среды на примере региона Курской Магнитной Аномалии.

1.2 Функциональное определение системы экологической безопасности.

1.3 Модели управления эколого-экономической системой.

1.4 Анализ существующих экоинформационных систем.

1.4.1 Основные принципы организации экоинформационных систем.

1.4.2 Географическая информационная система.

1.4.3 Экспертные системы.

1.5 Обоснование выбора мультиагентной технологии для построения? системы* обеспечения экологической безопасности воздушной среды региона.

Выводы по главе 1.38

ГЛАВА, 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ МУЛЬТИАГЕНТНОЙ СИСТЕМЫ» УПРАВЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ " ДЛЯ' ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ' ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ РЕГИОНА.

2.1 Основные концепции построения мультиагентных систем.

2.2 Формирование иерархических уровней системы управления и поддержки принятия^ решений для обеспечения экологической безопасности воздушной средьгрегиона.

2.3 Инициализация агентов МАСЭБ по ролевому принципу.

2.4 Разработка моделей и алгоритмов функционирования агентов МАСЭБ.

2.4.1 Моделирование агента - ресурса МАСЭБ.

2.4.2 Моделирование агента — предприятия МАСЭБ.

2.4.3 Моделирование агента — супервизора МАСЭБ.

2.4.4 Комплексная оценка экологического состояния воздушной среды региона.

2.6 Формализация переговоров агентов МАСЭБ на основе теории игр.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МУЛЬТИАГЕНТНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ РЕГИОНА.

3.1 Стратегия поведения интеллектуальных агентов МАСЭБ*.

3.1.1 Разработка стратегии поведения агента-предприятия.

3.1.2 Модель адаптивного поведения агента-супервизора МАСЭБ.

3.2 Разработка модели идентификации промышленного источника выбросов загрязняющих веществ.

3.2.1 Модель «пеленгации» источника выбросовютанциями^контроля.89!

3 .2.2 Решение обратной задачи переноса примеси.

3.3 Разработка базы данных МАСЭБ.

33.1 Организация базы данных системы.

3.3.2 Концеп туальная модель базы данных.

3)3\3? Построение инфологической модели данных.

3:3.4 Разработка структуры базы данных.

3.3.4 Распределение данных по агентам МАСЭБ

Выводы по главе 3 .;.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ'.

4Л Выбор программных средств реализации системы.

4.1. 1г Обоснование выбора системного обеспечения.

4.1.2 Выбор системы управления базами данных.

4.2 Описание структуры автоматизированной информационной системы,.

4.2.1 Уровень субъекта РФ - агент-супервизор.

4.2.2 Уровень природопользователя - агент-предприятия.

4.2.3 Уровень агента-ресурса.

4.2.4 Описание режима работы с МАСЭБ.

4.3 Разработка МАСЭБ в рамках промышленного региона КМА.

4.3.1 Описание эколого-экономического состояния региона КМА.

4.3.2 Определение участников эколого-экономической системы региона КМА.

4.3.3 Разработка структуры MAC управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной среды региона КМА.

4.4 Пример решения задачи управления экологической безопасностью воздушной среды.

4.4.1 Проверка положений метода идентификации источника промышленных выбросов агентом — ресурса.

4.4.2 Оценка модели обучения агентов МАСЭБ.:.

4.4.3 Расчеты эколого-экономических эффектов принятия управляющих решений.

Выводы по главе 4.:.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Управление в социальных и экономических системах», 05.13.10 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности воздушной среды региона»

Актуальность темы. Экологические исследования, проведенные в последние десятилетия, показали, что все возрастающее разрушительное воздействие антропогенных факторов на воздушную среду (ВС) привело ее на грань кризиса. Все чаще экологические системы попадают в категорию «критичных», что в первую очередь вызвано всевозможной деятельностью человека. Поэтому так важна система регулирования, комплекс упреждающих мероприятий, направленных на недопущение развития чрезвычайных ситуаций - система экологической безопасности. Необходимы механизмы, которые согласовывали бы интересы подсистем и направляли движение в русло, где соблюдается разумный баланс между экономикой и экологией.

Принятие решений в управлении экологической безопасностью природоохранной деятельности должно опирается на достоверную и полную информацию о фактическом состоянии природных и техногенных объектов. В* этой связи особую значимость приобретают информационные системы, реализующие функции мониторинга, оценки состояния ВС и управления. Основные принципы информационных систем управления экологической безопасностью были сформулированы в трудах Кафарова В.В.,. Попова Н.С., Примака A.B., Перова B.JL, Смирнова В.Н., Вента Д.П. и др.

Однако, на сегодняшний день действующие экологические информационные системы в полном объеме не отвечают требованиям информационного обеспечения процедур принятия решений в области охраны и экологически безопасного использования ресурсов. Отсутствие в большинстве регионов РФ эффективной технологии мониторинга ВС затрудняет процесс управления и принятия решений. Традиционно, исследования по созданию экологических информационных систем (работы И.И. Потапова, А.М. Шутко, И.А. Данилина, С.О. Jloca, JI.C. Паркинсона, Х.Х. Крамера) ориентируются лишь на построение сети различных датчиков. Они независимо распределяются на территории контроля и способны собирать информацию и передавать ее центральному устройству обработки, на основе работы которого производится визуализация полученной информации и оператором на основе его субъективных оценок и опыта вырабатываются окончательные заключения об экологическом состоянии территории: Главная особенность такого положения заключается в сложной пространственной и функциональной распределенности, относящейся как. к территориальной удаленности постов контроля, так и различным целям участников эколого-экономической системы, их сложном и высоко динамичном взаимодействии; невозможности построениям единой целевой функции эколого-экономической системы.

Отмеченные обстоятельства; позволяют заключить, что исследование:: и разработка новых моделей-и системы управления экологической безопасностью; ВС, является в настоящее время актуальной задачей; для решения, которой возникает необходимость в привлечении, знаний из различных областей? и современных методов принятия; решений] включая- методы искусственного' интеллекта. ,

Цели и постановка задач исследования. Целью диссертационной работы является' разработка и реализация интеллектуалышй распределенной* системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения региональной экологической; безопасности ВС на основе технологии мультиагентных систем.

Достижение цели работы потребовало решения следующих задач:

• на основе анализа; и оценки существующих моделей и методов управления эколого-экономическими системами построение модели распределенной: многоуровневой системы управления региональной экологической безопасностью ВС;

• разработка методики поддержки принятия решений и управления региональной7 экологической безопасностью на основе технологии мультиагентных систем; разработка моделей: интеллектуальных агентов в соответствии с ролевым назначением, механизма взаимодействия интеллектуальных агентов, процесса выбора агентами стратегии поведения^ задачи идентификации источника чрезмерных выбросов;

• разработка структурной модели и алгоритмов работы автоматизированной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона.

Объект исследования. Информационная система управления и поддержки принятия решений в эколого-экономических системах.

Предмет исследования; Процессы принятия управленческих решений в эколого-экономических системах с целью снижения негативного! воздействия на воздушную; среду объектов промышленности и устойчивого развития природно-техногенного комплекса.

Методы? исследования. При* проведении исследований? в рамках: задачи диссертационной работы использованы методы, мультиагентных систем с персонифицированными агентами, теория коммуникации! агентов, методы, теории систем; основанных на знаниях, иерархических: игр;, теории нечетких нейронных сетей; распределенных-баз; данных. .

Научная новизна и значимость результатов диссертационной! работы состоит в следующем:

-предложена методика построения автоматизированной системы управления и поддержки принятия решении для обеспечения региональной экологической безопасности В(2 с использованием мультиагентной технологии, отличительной особенностью которой является адаптивность управления к текущим изменениям в эколого-экономической системе;

- синтезирована модель мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения региональной экологической безопасности из автономных агентов, выделенных по ролевому признаку, и отличающаяся полнотой отображения процессов управления и принятия решений;

- построены поведенческие и структурные модели интеллектуальных агентов системы, модель их взаимодействия на основе теории иерархических игр, позволяющие адекватно представить цели и стратегии поведения субъектов эколого-экономической системы;

- разработана модель адаптивного поведения агентов в процессе функционирования системы на основе нейро-нечеткого (^-обучения, отличающаяся высокой скоростью обучения агентов;

-предложен комплекс алгоритмов, функциональная схема и разработано програм-мное обеспечение, необходимые для реализации мультиагентной системы управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона*, и отличающиеся^ функциональной полнотой и универсальностью.^

Достоверность научных. результатов. Научные положения,, теоретические выводы, и практические рекомендации, включенные в диссертационную работу, подтверждены расчетами; моделированием на ЭВМ, экспертными оценками специалистов; соответствующими актами и справками, дипломом конкурса научных работ, а также апробацией результатов на основе данных региона Курскою магнитной аномалии.

Практическая'значимость-и результаты внедрения.

1. Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что они позволяют на основе разработанных моделей и алгоритмов реализовать автоматизированную систему управления и поддержки принятия решений для обеспечения экологической безопасности ВС региона. Система позволит всем заинтересованным лицам получить комплекс достоверных и регулярно обновляемых данных об экологической обстановке; обеспечить оперативное принятие управленческих решений в области экологии и природопользования; предоставить возможность сопоставить и качественно проанализировать природно-ресурсную, социально-экономическую и экологическую информацию; подготовить необходимые рекомендации и ограничения режимов природопользования и оценить степень воздействия хозяйственных мероприятий на атмосферный воздух.

2. Результаты внедрения. Результаты диссертационной работы используются, при оценке экологической безопасности в, службе государственной экологической инспекции Белгородской области и Белгородского областного центра гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды. Разработанные модели, методы и алгоритмы применяются в учебном процессе при изучении студентами специальных дисциплин «Системы искусственного интеллекта», «Проектирование систем управления», «Интеллектуальные информационные системы».

На защиту выносятся:

1. Методика построения автоматизированной системы управления и поддержки принятия решений для.обеспечения экологической безопасности ВС региона с использованием-мультиагентной технологии.

2. Модели и алгоритмы функционирования интеллектуальных агентов*, с учетом их ролевого назначения.

3. Модель взаимодействия интеллектуальных агентов на основе теории иерархических игр.

4. Модель нейро-нечеткого (^-обучения, которая позволяет агентам выбора оптимальной стратегии поведения.

5. Функциональная схема и алгоритмы системы управления экологической безопасностью на основе технологии мультиагентных систем. Программный комплекс реализации предложенной системы.

Соответствие диссертации паспорту специальности. В диссертационном исследовании разработаны и применены методы поддержки принятия управленческих решений к задачам управления эколого-экономическими системами, что соответствует формуле специальности 05.13.10 - «Управление в социальных и экономических системах». В соответствии с целью, задачами и полученными научными результатами диссертация соответствует следующим пунктам области исследования: П.5. 9

Разработка специального математического и программного обеспечения систем управления принятия решений в социальных и экономических системах; П. 10. Разработка методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений в экономических и социальных системах.

Апробация- работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались, на международных конференциях: «Проблемы геологии, экологии и рационального природопользования» (г. Новочеркасск, 2007 г.), «Современные сложные системы управления» - HTCS2008 (Тверь, 2008г.), TTI Международная научная конференция «Современные проблемы прикладной математики и математического , моделирования» (Воронеж; 2009г); на Всероссийских- конференциях: III Всероссийская молодежная* научная конференция; ио проблемам управления (МКИУ-2008) (г.Москва, 2008г.), 31-я конференция? молодых ученых и специалистов; Института проблем; передачи информации им. A.A. Харкевича РАН «Информационные технологии и системы 2008»; (Геленджик, 2008г.), V Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Управление большими системами 2008» (Липецк, 2008г.), 3-я Научная конференция Автоматизация в промышленности (Москва, 2009г.), 32-я конференция молодых ученых и специалистов. Института проблем передачи-информации им. A.A. Харкевича РАН «Информационные технологии и системы. 2009» (Бекасово, 2009 г.); на региональных, научно-практических конференциях «Образование, наука, производство и управление в XXI веке» (Старый Оскол, 2007,2008,2009,2010), «Молодые ученые - производству» (Старый Оскол, 2007, 2008).

Работа удостоена диплома конкурса научных работ по теории управления и ее приложениям за 2009 год, проводимого ИПУ РАН.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 17 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационных исследований, общим объемом 72 стр. (лично автором выполнено 63 стр.).

В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении целей и задач работы [3,4,6,7], в разработке моделей и алгоритмов [1,2,5,9,10,12,14,15,17], основных элементов программных средств управления и их внедрения [11,13,16].

Исследование поддерживалось грантом: «Разработка теоретических основ энерго-ресурсосбережения и экологической безопасности металлургических процессов» (№ 1.6.09).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения, заключения, библиографического списка из 120 наименований, 6 приложений; содержит 146 страниц основного текста, 41 рисунок, 38 таблиц.

Похожие диссертационные работы по специальности «Управление в социальных и экономических системах», 05.13.10 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Управление в социальных и экономических системах», Доронина, Екатерина Геннадьевна

Выводы по главе 4

1. На, основе предложенного метода^ построения- MAC управления и поддержки принятияфешений для обеспечения экологической безопасности ВС региона, был создан программный продукт, который позволяет осуществить: персонифицированный, распределенный подход к управлению эколого-экономической системой; интеграцию' больших массивов информации и оперативную обработку результатов; перераспределение процессов информационной обработки по элементам системы.

2. Для программной реализации МАСЭБ выбрана агентская платформа JADE.

3. Разработана структура программной системы управления экологической безопасностью, которая построена на основе интернет архитектуры MAC точка-точка IEEE FIPA и включает в себя распределенную БД и автоматизированные рабочие места. Все пользователи работают в едином информационном пространстве и получают рекомендации одновременно, но при этом адресно.

4. Разработаны удобные и простые в использовании формы ввода-вывода информации для работы с агентами системы.

5. Для практической реализации разработанной' системы была выбрана регион- КМА. Выбор обусловлен следующими факторами: горнометаллургический комплекс региона КМА- наносит существенный урон природной среде; быстрые темпы промышленного^ и гражданского строительства обусловили высокую скорость нарастания антропогенного прессинга на окружающую среду; системы мониторинга региона КМА в полном объеме- не отвечают требованиям информационного обеспечения процедур принятия решений в области охраны, и экологически безопасного использования ресурсов.

6. В соответствии с предложенным» методом' построения* (глава 2) и представленным составом участников эколого-экономической системы региона КМА, была разработана структурная модель МАСЭБ.

7. Применение разработанной» МАСЭБ обеспечивает решение задач: обработки и- накопления' информации по временным трендам* параметров-окружающей среды с целью оценки, экологического состояния; идентификации источников выбросов (предприятий, совершивших чрезмерные выбросы); представления всей имеющейся-информации в удобном для пользователя виде; подготовки интегрированной информации о состоянии окружающей среды и прогнозов вероятных последствий хозяйственной деятельности; разработки рекомендаций и подходов к оптимальному управлению экологической безопасностью и, в общем, эколого-экономической системой как со стороны предприятий, так и органов государственной власти.

8. Получены результаты расчета эколого-экономических показателей региона КМА, проведенные агентами системы, которые говорят об эффективности принимаемых решений.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.