Оценка экологического состояния природно-технической системы на основе векторного критерия

Авторы

  • М. Г. Кургузкин АУ «Управление Минприроды УР»
  • П. М. Кургузкин ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2023-1-115-124

Ключевые слова:

нейронные сети, векторный критерий загрязнения, метод главных компонент, корреляция показателей загрязнения, критерии оценки загрязнения, экологический мониторинг, природно-техническая система

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы оценки экологического состояния территории природно-технических систем как важнейшего показателя их стабильности. Приведен краткий анализ критериев оценки загрязнения природной среды, основанных на скалярных свертках массивов данных экологического мониторинга. Отмечено, что отсутствие учета взаимной корреляции показателей загрязнения, определяемых в процессе экологического мониторинга, снижает информативность указанных критериев. Рассмотрены методические аспекты построения критерия оценки загрязнения территории, основанного на снижении размерности и декорреляции массива данных экологического мониторинга. В качестве примера использованы результаты мониторинга загрязнения почвенного покрова на территории локальной природно-технической системы, включающей в себя объект по уничтожению химического оружия и природную среду в границах зоны защитных мероприятий. Приведены результаты использования метода главных компонент для снижения размерности и декорреляции массива данных мониторинга. Показана возможность замены одиннадцати показателей загрязнения тремя главными компонентами при сохранении приемлемой информативности описания. Переход к ортогональному базису в пространстве главных компонент позволяет рассматривать значения последних в точке, как проекции в общем случае многомерного вектора, который назван вектором повреждения и может использоваться в качестве интегрального показателя загрязнения. Приведены варианты оценки загрязнения на основе сравнения текущего и начального модулей вектора загрязнения, а также с использованием поверхности критических загрязнений. Описана возможность упрощения структуры нейросетей для прогнозирования уровня загрязнении за счет использования единственного выходного параметра нейросети в виде вектора загрязнения. Приведен пример применения нейросети, обученной на данных фонового мониторинга почвенного покрова, для прогнозирования текущего загрязнения почвы в точках зоны защитных мероприятий. Показано, что перцептрон с одним скрытым слоем удовлетворительно описывает распределение вектора загрязнений по территории через пять лет после ввода техногенного объекта в эксплуатацию.

Биографии авторов

М. Г. Кургузкин, АУ «Управление Минприроды УР»

кандидат технических наук, доцент

П. М. Кургузкин, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

аспирант

Библиографические ссылки

Биоиндикаторы и биотестсистемы в оценке окружающей среды техногенных территорий: монография / под общ. ред. Т. Я. Ашихминой и Н. М. Алалыкиной. Киров : О-краткое, 2008. 208 с.

Описание программы NeuroExcel. URL: http://www.neurotechlab.ru.

Создание «цифровых двойников» в рамках цфровой трансформации экологического мониторинга / С. В. Валиев, Д. В. Иванов, Д. Е. Шамаев, Р. Р. Хасанов // Российский журнал прикладной экологии. 2022. № 3. С. 29-33.

Мантула Е. В. Прогнозирующая нейронная сеть с переменной структурой для контроля показателей загрязнения окружающей среды // Бионика интеллекта. 2013. № 1 (80). С. 112-116.

Потылицина Е. Н., Липинский Л. В., Сугак Е. В. Использование искусственных нейронных сетей для решения прикладных экологических задач // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 4. URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id= 9779.

Петров В. Г., Шумилова М. А. Поведение арсенита натрия в почвах Удмуртии. Ижевск : Изд-во Института механики УрО РАН, 2016. 176 с.

Мальцев К. А., Мухарамова С. С. Построение моделей пространственных переменных (с применением пакета Surfer) : учеб. пособие. Казань : Казанский университет, 2014. 103 с.

Анализ основных компонентов (РСА) в Excel. URL: http://www.help.xlstat.com.

Кургузкин М. Г., Корепанов М. А., Тененев В. А. Использование методов многомерного анализа для обработки результатов экологического мониторинга объекта по уничтожению химического оружия // Экология урбанизированных территорий. 2009. № 3. С. 96-101.

Комарова А. Ф., Журавлева И. В., Яблоков В. М. Открытые мультиспектральные данные и основные методы дистанционного зондирования в изучении растительного покрова // Принципы экологии. 2016. № 1. С. 40-71.

Шитиков В. К., Розенберг Г. С., Костина Н. В. Методы синтетического картографирования (на примере эколого-информационной системы ‘region-volgabas’). URL: http://www.ecograde.bio.msu.ru/library/books/_pdf_rosenberg/3-2.pdf.

Шитиков В. К., Зинченко Т. Д. Многомерный статистический анализ экологических сообществ (обзор) // Теоретическая и прикладная экология. 2019. № 1. С. 5-11.

Сердюцкая Л. Ф., Яцишин А. В. Техногенная экология: Математико-картографическое моделирование. М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. 232 с.

Большаков А. А., Каримов Р. Н. Методы обработки многомерных данных и временных рядов : учебное пособие для вузов. М. : Горячая-линия-Телеком, 2015. 552 с.

Афифи А., Эйзен С. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ / пер. с англ. М. : Мир, 1982. 302 с.

Narottam S., Safiur M. Multivariate statistical analysis of metal contamination in surface water around Dhaka export processing industrial zone. Bangladesh // Environmental Nanotechnology, Monitoring and Management. 10(2018). S.206-211.

UkJae L., Chanki L., Minji K., Hee Reyoung K. Analysis of the influence of nuclear facilities on environmental radiation by monitoring the highest nuclear power plant density region // Nuclear Engineering and Technology. 51(2019). S. 1626-1632.

Комплексный экологический мониторинг в районах расположения опасных промышленных объектов, системы экологического мониторинга объектов по уничтожению химического оружия и атомных электростанции : монография / под общ. ред. проф. В. Н. Чуписа. М. : Научная книга, 2014. 528 с.

Экологический мониторинг опасных производственных объектов: опыт создания и перспективы развития (на примере систем экологического контроля и мониторинга объектов по уничтожению химического оружия) : монография / под общ. ред. проф. В. Н. Чуписа. М. : Научная книга, 2010. 526 с.

Ашихмина Т. Я. Комплексный экологический мониторинг объектов хранения и уничтожения химического оружия: монография. Киров : Вятка, 2002. 544 с.

Шарапов Р. В. Переход от технических к природно-техническим системам // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2012. № 2. С. 43-46.

Исаев С. В. Концепция природно-технических систем и ее использование при изучении антропогенной трансформации природной среды // Географический вестник. 2016. № 3 (38). С. 105-113.

Загрузки

Опубликован

08.04.2023

Как цитировать

Кургузкин, М. Г., & Кургузкин, П. М. (2023). Оценка экологического состояния природно-технической системы на основе векторного критерия. Интеллектуальные системы в производстве, 21(1), 115–124. https://doi.org/10.22213/2410-9304-2023-1-115-124

Выпуск

Раздел

Статьи