Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Екологія arrow Питання оцінки впливу на навколишнє середовище
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Принципи створення експертно-інформаційних систем для цілей ОВНС

Проведення екологічної експертизи ґрунтується на використанні інформації (будь-яких відомостей) про стан довкілля і знань про процеси, що в ньому відбуваються. Інформація, зафіксована в певній, придатній для подальшої обробки формі зберігання і передачі, називається даними, а організований масив даних, що зберігається в обчислювальній системі, - базою даних. Комплекс баз даних і спеціальних методів і засобів (програмних, організаційних тощо), які дозволяють працювати з інформацією про стан довкілля широкому колу користувачів, називається інформаційною системою. За допомогою комп'ютерів стало можливим обробляти практично будь-які типи інформації про довкілля і термін "інформація" став часто використовуватися як синонім терміну "дані", який часто використовується для позначення первинної цифрової інформації про стан довкілля.

Довкілля розглядають як природно-антропогенний комплекс, що складається з геосфери, біотосфери та соціосфери (геосфера складається з літосфери, геоморфосфери, гідросфери, геофізсфери, атмосфери та педосфери (пов'язана з неорганічною складовою); біотосфера - з фітосфери, зоосфери та педосфери (пов'язана з органічною складовою); соціосфера - з техносфери та демосфери). Методологія і ступінь наповнення цих великих блоків екологічної інформації (у кількісному відношенні навколишнє середовище на 20 порядків перевищує інформаційну потужність суспільства) визначають особливість і специфіку інформаційної основи й ефективність функціонування всіх систем екологічного управління. Необхідність формування та вдосконалення інформаційних систем (ІС) екологічного управління зумовлюється, по-перше, внутрішніми потребами держави стосовно інформаційного забезпечення процесів прийняття екологічно безпечних управлінських рішень щодо реалізації національної екологічної стратегії, а по-друге, зовнішніми вимогами, додержанням міжнародних екологічних зобов'язань. В Україні нині тільки формується інформаційний простір, сфокусований на екологічні проблеми. ІС, які застосовуються в усіх сферах суспільної діяльності, нині перебувають на третьому етапі свого розвитку. Системи першого покоління (за кордоном дістали назву "Системи електронної обробки даних" (Data processing Systems), а в Україні - "Автоматизовані системи управління") базувалися на застосуванні "задачного підходу" (для вирішення кожної проблеми в системі окремо формувалися дані й створювалася відповідна алгоритмічна модель). Системи другого покоління ("Управлінські інформаційні системи" (Management information Systems), інша назва - "Системи управління базами даних" (СУБД)) зорієнтовані на операційну обробку даних, для якої характерний структурований потік інформації, інтеграція завдань з обробки даних. Ці системи мають позитивну особливість - колективний доступ до даних, тобто створення єдиної бази даних із централізованим управлінням. Основним недоліком систем із такою структурою є наявність надмірної бази даних з описом самих даних. Структура ІС третього покоління ("Системи прийняття рішень" (Decision Support Systems)) зорієнтована на спільний аналіз даних і алгоритмічні моделі вироблення рішень. Вони мають не тільки загальне інформаційне забезпечення - базу даних, а й загальне алгоритмічне забезпечення - базу моделей. Саме ІС третього покоління за своїми можливостями і потужністю відповідають класу завдань, що стоять перед системами екологічного управління. В Україні вирішення проблеми впровадження ІС третього покоління поки що має суто теоретичний характер. Більш практичне значення на сьогодні для систем екологічного управління має модернізація і розвиток спеціалізованих 1C екологічного спрямування, до яких належать державні природні кадастри, системи екологічного моніторингу, екологічного картографування, екологогосподарські баланси територій, геоінформаційні системи, екологічна паспортизація. ЗУ "Про охорону навколишнього природного середовища" визначає створення і забезпечення роботи національної екологічної інформаційної системи як одну з головних функцій органів управління в галузі охорони довкілля. Згідно із Законом ця функція належить до компетенції спеціально уповноваженого центрального органу виконавчої влади з питань екології та природних ресурсів і його органів на місцях. В Україні найбільшого розвитку набули моніторингові й кадастрові інформаційні системи, що закріплено у відповідних законодавчих актах, які стосуються управління окремими природними ресурсами. Цілі й завдання інформаційного забезпечення визначені в Земельному, Водному, Лісовому кодексах і в Кодексі про надра; у Законах "Про охорону атмосферного повітря", "Про питну воду та питне водопостачання", "Про тваринний світ", "Про рослинний світ", "Про відходи" тощо. Нині кожен кадастр являє собою окрему інформаційну базу, яка ні структурно, ні функціонально не пов'язана з іншими кадастрами природних ресурсів. У зв'язку з цим виникає завдання створити єдину систему природних кадастрів, яка передбачає узгодження критеріїв і показників обліку природних ресурсів, застосування єдиних підходів до їх економічної оцінки, узгодження завдань щодо використання природних ресурсів на національному, регіональному і місцевому рівнях управління. Розвиваються також спеціалізовані інформаційні системи: заповідних територій, депресивних територій, потенційно небезпечних об'єктів, басейнові інформаційні системи тощо. Діючи в межах регіонів (іноді - на міжрегіональному й міждержавному рівнях) ці системи потребують належного структурного й організаційного оформлення. Питання їх взаємодії з регіональними інформаційними системами (РІС), які необхідно створювати, потребує насамперед свого законодавчого розв'язання. У цілому в Україні вирішення проблеми формування РІС потребує застосування системного підходу до комплексу методологічних, організаційних, правових й інших питань у сфері інформаційних систем екологічного управління.

Ієрархічні рівні ЕІС

Рис. 3.3. Ієрархічні рівні ЕІС

Експертна система - система штучного інтелекту, яка створена для вирішення задач у конкретній проблемній області; програма, яка поводить себе подібно експерту у деякій проблемній області. У проблемній області "екологічна безпека" основною задачею, яка ставиться і перед експертами, і перед експертними системами, є підтримка прийняття рішень. Тому інформаційні системи, орієнтовані на підтримку прийняття таких рішень, називають експертно- інформаційними системами (ЕІС). Вони повинні бути орієнтовані на комплексне використання результатів екологічного моніторингу, забезпечуючи перетворення первинних результатів вимірювань у придатну для підтримки прийняття рішень форму. При цьому з переходом від первинних результатів екологічного моніторингу до знань про стан довкілля змінюються методи роботи з Інформацією. У такій інформаційній системі виділяють три рівні, які орієнтовані на вирішення різних задач екологічного моніторингу та які відрізняються методами роботи з екологічною інформацією; 1) знання для підтримки прийняття рішень; 2) інформація про стан довкілля; 3) дані екологічного моніторингу. Підтримка прийняття рішень ґрунтується на знаннях і при цьому кожне ухвалення верхнього рівня (рис. 3.3) повинно підтверджуватися Інформацією, що зберігається на середньому рівні, а при необхідності й первинними даними нижнього рівня. На нижньому рівні ЕІС для зберігання даних про стан довкілля використовуються різні системи управління базами даних, а дія обробки результатів спостережень - різні програмні продукти (редактори таблиць, пакети спеціальних прикладних програм тощо). На середньому рівні ЕІС для аналізу інформації про стан довкілля використовуються географічні інформаційні системи (РІС), а також системи, в яких реалізовані різні методи інтелектуального аналізу даних. Такі системи, забезпечуючи введення, зберігання, оновлення, обробку, аналіз і візуалізацію всіх видів екологічної інформації, дозволяють систематизувати її видачу для екологічного управління.

Інтеграція даних екологічного моніторингу у банк даних

Рис. 3.4. Інтеграція даних екологічного моніторингу у банк даних

Дані екологічного моніторингу дуже різноманітні та (як правило) включають дані: дистанційного (супутникового) моніторингу; локальних методів моніторингу; архівні та офіційної статистики.

При аналізі даних екологічного моніторингу часто використовують результати математичного моделювання. У рамках математичних моделей можливе і порівняння між собою даних з різних джерел, і застосування результатів моніторингу, і прогнозування наслідків того чи іншого господарського рішення. Проте методи математичного моделювання довкілля недостатньо розроблені, щоб їх результати могли широко використовуватися для підтримки прийняття рішень у природоохоронної діяльності. Тому нині накопичення знань, необхідних для підтримки прийняття рішень, ґрунтується на різних реалізаціях системного підходу, таких як методологія оцінки впливу на довкілля, індикатори довкілля і сталого розвитку тощо. Складна структура даних екомоніторингу примушує на нинішньому етапі розділити стадію їх аналізу і стадію надання результатів аналізу, оскільки засоби для аналізу даних - це великі пакети прикладних програм. Етапи інтеграції даних екомоніторингу в ЕІС такі: на першому етапі первинні дані екомоніторингу інтегруються у сховища даних; на другому етапі дані екомоніторингу аналізуються за допомогою стандартних пакетів, що реалізують ті чи інші методи інтелектуального аналізу даних, а його результати надаються для підтримання прийняття рішень тощо. При інтеграції даних екомоніторингу у сховище (банк) даних (рис. 3.4) часто виникає проблема оцінки достовірності висхідних даних згідно необхідного рівня метрологічного забезпечення (один з можливих шляхів перевірки достовірності даних може ґрунтуватися на їх порівнянні з даними, отриманими з інших джерел).

До програмного забезпечення ЕІС відносяться системи управління базами даних. Для маніпулювання даними (введенням, пошуком тощо) в інформаційних системах використовується СУБД - спеціальне програмне забезпечення. З одного боку, СУБД все ширше використовуються для маніпулювання новими типами інформації (мультимедіа, ГІС тощо), а з іншого боку, створені нові технології, які дозволяють забезпечити доступ до інформації широкому колу користувачів у рамках мережі Інтернет, відкриваючи тим самим принципово нові можливості для вивчення довкілля. Терміном "мультимедіа" (multimedia) позначаються інтерактивні комп'ютерні системи, що забезпечують роботу з різноманітними типами даних - нерухомими і рухомими зображеннями з текстом, звуком тощо. У відповідних базах даних зберігається не тільки текстова інформація, але й оцифровані фільми, факсимільні зображення тощо. Щодо сховища даних, то необхідно зауважити, що нині з'являються не тільки нові технології, але і дещо змінюється підхід до формування баз даних, які повинні відповідати певним вимогам, і щоб підкреслити це, використовується спеціальний термін "сховище даних" (Data Warehouse). Цей термін означає предметно-орієнтований, інтегрований, підтримуючий хронологію, незмінний набір даних, організований для цілей підтримки прийняття рішень. При створенні сховищ даних виділяють два основні питання, орієнтованих на підтримку прийняття рішень: невизначеність задачі - яка саме інформація може знадобитися для підтримки прийняття рішень у світі, що постійно і швидко змінюється, які цілі й задачі будуть актуальними завтра тощо; неоднорідність інформації - різні й часто погано описані формати файлів даних, отриманих на різних приладах, що не стикуються між собою (у багатьох випадках легше повторити дорогий експеримент, ніж намагатися витягнути результати з архівних даних попереднього аналогічного експерименту). На першому етапі створення сховища даних при інтеграції висхідних даних у сховище необхідно забезпечити єдині правила найменування, уніфіковані одиниці вимірювання для однотипних об'єктів, єдину систему представлення (атрибути) для таких об'єктів тощо. Окрім того, для інтеграції даних про стан довкілля важлива єдина система географічних координат. Іншою важливою особливістю даних, що включаються у сховище, є підтримка хронології.

Необхідність застосування ГІС пов'язана з: наявністю великих обсягів екологічної й іншої інформації та значної кількості параметрів, що відстежуються в природно-антропогенних системах, унаслідок чого стає неефективним (зачасту й неможливим) використання традиційних неформалізованих методів обробки емпіричних даних; динамічним характером досліджуваних процесів у природно-антропогенних системах, що не залишає часу для "ручної" обробки інформації і потребує оперативного прийняття рішень; ймовірнісним і багатоваріантним характером розвитку подій, який диктує визначення наслідків екологічного, економічного й соціального характеру для різних сценаріїв; потребою в прогнозуванні зміни ситуації з розрахунком ймовірності реалізації того чи іншого сценарію; впливом на процес прийняття рішень суб'єктивної інтерпретації оброблюваних даних з боку персоналу. ГІС - це сучасна комп'ютерна технологія для картографування й аналізу об'єктів довкілля, а також реальних подій, що відбуваються в ньому. Результати екологічного моніторингу завжди мають географічну прив'язку, тому оптимальним способом організації аналізу даних про стан довкілля буде той, який ґрунтується на ГІС. Вони призначені для створення цифрових мап й аналізу подій, що відбуваються в довкіллі. В українському законодавстві (Національна програма інформатизації) дано таке тлумачення ГІС - це сучасні комп'ютерні технології, що дають можливість поєднати модельне зображення території (електронне відображення мап, схем, космо- та аерозображень земної поверхні) з інформацією табличного типу (різноманітні статистичні дані, списки, економічні показники тощо).

Оцінка стану довкілля і прогноз його розвитку спираються на територіальний або ландшафтний підхід. Еколого-географічне картографування зародилося в 70-80-х роках XX ст. у природоохоронній сфері для отримання й відображенні просторової інформації про реакцію екосистем на техногенний вплив. Більшість елементів топографічних мап (рельєф, гідрографія, рослинність, ґрунти, соціально-економічні об'єкти тощо) є джерелом інформації, яка використовується під час оцінки природних умов і господарського освоєння територій, а також під час аналізу взаємозв'язків екосистем. Перелік тематичних мап, що використовуються для цілей екологічного управління, досить різноманітний: мапи ґрунтового покриву; мапи рослинного і тваринного світу; геологічні, геоморфологічні, кліматичні, соціально- економічні мапи тощо. Зазначені мапи дають інформацію про природний потенціал території, її характеристики, здатність витримувати антропогенні навантаження. їх основне призначення - систематизація інформації про компоненти природного й антропогенного середовища, які є чинниками, що впливають на формування екологічної ситуації на відповідній території. Екологічні мапи являють собою просторове відображення взаємодії живих організмів, людини і середовища. Екологічне картографування в нашій країні перебуває в стадії становлення. Найбільш загальний склад системи екологічних мап, призначеної для інформаційного забезпечення екологічного управління та повинні відображати: оцінку екологічного потенціалу територій; характеристику господарського впливу на геоекосистеми; дані про стійкість геоекосистем до техногенних впливів; характеристику здоров'я населення, зумовленого станом довкілля і техносфери; прогноз екологічної ситуації. Окремим видом картографічної інформації є матеріали космічного моніторингу (новий вид мап, являючи собою космічні знімки поверхні Землі з роздільною здатністю від 3,5 км до 5 м).

У ГІС мапи, подані в електронному вигляді, називаються цифровими. Процес перетворення просторової інформації з паперових мап на електронний вигляд називається відцифруванням. Керування даними - це введення інформації після попередньої обробки в базу даних, поновлення, вилучення даних та їх пошук. Залежно від типів і форматів даних, програмного забезпечення ГІС, а також її проблемної орієнтації можуть використовуватися різні способи організації зберігання, розподілу та доступу до даних. В основі роботи ГІС лежить система управління базами даних (містять екологічні показники, дані їх територіальної і часової прив'язки, джерела їх отримання тощо), які структурно складаються з блоків, що акумулюють інформацію, згруповану за певними напрямами: геолого-геоморфологічний, ґрунтовий, гідрологічний, біологічний, кліматичний, економічний, соціальний тощо. Такі набори даних дають змогу виконувати інтегральну оцінку стану довкілля й отримувати характеристику комплексного антропогенного впливу.

Термін "географічна інформаційна система" означає організований набір апаратури, програмного забезпечення, географічних даних і персоналу (оператори, програмісти, системні аналітики тощо), призначений для ефективного введення, зберігання, оновлення, обробки, аналізу і візуалізації всіх видів географічно прив'язаної інформації. Програмне забезпечення дозволяє вводити, зберігати, аналізувати і відображати географічну інформацію. Ключовими його компонентами є: засоби для введення і маніпулювання географічними даними; система управління базою даних; програмні засоби, що забезпечують підтримку запитів, географічний аналіз і візуалізацію інформації; графічний інтерфейс користувача, що полегшує використання програмних засобів. ГІС працюють з даними двох основних типів: просторові (синоніми - картографічні, векторні) дані, що описують положення і форму географічних об'єктів, та їх просторові зв'язки з іншими об'єктами; описові (синоніми — атрибутивні, табличні) дані про географічні об'єкти, що складаються з наборів чисел, текстів тощо.

Моделі просторових даних: а - растрова; б - векторна; ї - крапка; 2 — полігон; 3 - дуга; 4 — вузол

Рис. 3.5. Моделі просторових даних: а - растрова; б - векторна; ї - крапка; 2 полігон; 3 - дуга; 4 вузол

Описова інформація організовується у реляційну базу даних - окремі таблиці зв'язуються між собою по ключових полях, для них можуть бути визначені індекси, відносини тощо. Відмінність ГІС від стандартних систем управління базами даних полягає в тому, що ПС дозволяють працювати з просторовими даними, які надаються у двох основних формах - векторній і растровій. Векторна модель даних ґрунтується на представленні мали у вигляді крапок, ліній і плоских замкнутих фігур, а растрова модель даних - на представленні мали за допомогою регулярної сітки однакових за формою і площею елементів. Різниця між цими моделями даних пояснюється на рис. 3.5, де показано, як об'єкти місцевості - озеро (замальований багатокутник - полігон), річка (ламана лінія - дуга, початок і кінець цієї ламаної лінії - вузли), поле - зображуються за допомогою векторної моделі лініями і полігонами, а за допомогою растрової моделі - по різному замальованими квадратиками. У цифрових мапах просторова інформація про об'єкти зберігається у вигляді координат (X; У). Точка описується однією парою координат. Відрізок прямої лінії представляється двома парами координат (X; У), що відповідають початку і кінцю відрізка. Ламані лінії описуються впорядкованою послідовністю координат (X; У). Якщо ламана лінія починається і закінчується в одній і тій самій точці, то вона обмежує замкнуту фігуру - полігон. Відповідно перша і остання пари координат ламаної лінії (або першої й останньої з ламаних ліній, коли полігон обмежується декількома дугами) повинні співпадати. Картографічна інформація про об'єкти включає не тільки їх координати, але і різні типи відносин. На цифрових мапах такі відносини описуються за допомогою топологічної моделі, що визначає просторові зв'язки.

Географічний аналіз екологічної інформації дозволяє вивчати процеси, що відбуваються у навколишньому середовищі, шляхом проведення різних логічних операцій над векторними й атрибутивними даними (просторового і табличного аналізу). Для відображення результатів просторового аналізу зазвичай використовуються мапи, а для відображення результатів табличного аналізу ~ звіти. Можливість проведення географічного аналізу - це головне, що вирізняє ПС. Цей аналіз дозволяє порівнювати між собою різноманітну просторово прив'язану інформацію і надавати результати аналізу у зручній для сприйняття формі. Рутинні операції географічного аналізу легко автоматизуються, для чого у кожну повнофункціональну ГІС вмонтовується внутрішня мова програмування. ГІС надають дуже суттєві засоби для аналізу екологічної інформації, проте не надають нових знань про стан довкілля - вони тільки інструмент для природодослідника. Зазначимо, що останнім часом швидко розвиваються інформаційні технології, орієнтовані на формування знань про стан довкілля, які об'єднують поняттям інтелектуальний аналіз даних (data mining). Модулі, що ґрунтуються на таких технологіях, розвиваються у рамках потужних ГІС, але частіше вони формуються в експертно- інформаційні системи, які орієнтовані на прогнозування стану довкілля, оцінку ризику господарської діяльності й підтримку прийняття рішень, що забезпечують сталий розвиток. З наукової точки зору метод інтелектуального аналізу даних (ІАД) - сфера перетину людських знань, машинного навчання, математичного моделювання і баз даних. Спираючись на різні математичні методи (нейронні мережі, дерева рішень, лінійне програмування, нечітка логіка) вдається витягнути з різних, у тому числі й дуже великих, баз даних раніше невідому і достовірну інформацію, що слугує основою для прийняття рішень. Тому ІАД визначають також як метод підтримки прийняття рішень, що ґрунтується на пошуку й аналізі залежностей між даними. Іноді як синонім використовується поняття "виявлення знань у базах даних" (knowledge discovery in data bases). Слід зазначити, що ІАД ґрунтується на цілому комплексі методів прикладної статистики, як традиційних, так і нетрадиційних.

Існує декілька методів, що дозволяють знаходити взаємозв'язки між даними без необхідності попереднього формулювання гіпотези про вид цієї залежності - пошук асоціацій, пошук послідовностей, класифікація, кластерний аналіз, прогнозування. Пошук асоціацій означає пошук пов'язаних між собою подій, коли настання однієї події з високим ступенем вірогідності означає настання іншої. Події, пов'язані у часі, зазвичай називають послідовностями, і виявлення таких послідовностей дозволяє прогнозувати майбутнє. Класифікація означає поділ даних на деяку кількість груп за деяким набором ознак. Одним з перспективних методів класифікації є нейрокомп'ютинг - навчання системи (програми) для вирішення поставленої задачі на обмеженому числі прикладів. Кластеризація відрізняється від класифікації тим, що самі групи наперед не задані. Основою прогнозування є часові ряди. Можливість аналізу часових рядів в екометрії пов'язана з використанням індикаторів й індексів. Якщо вдається виявити закономірності, які адекватно відображають динаміку поведінки індексів у часі, то на цій основі можна з деякою вірогідністю передбачати майбутнє екосистем. Особливість нинішнього етапу розвитку методів ІАД полягає в тому, що всі ці достатньо складні методи реалізовані у значній кількості програмних продуктів, доступних широкому колу користувачів. Багато з таких програмних продуктів має модулі когнитивної графіки і надають користувачу великі можливості з інтерпретації результатів аналізу даних. Це, у свою чергу, породжує низку нових проблем, пов'язаних з достовірністю такої Інтерпретації, але досвід експлуатації програмних продуктів ІАД при підтримці прийняття рішення підтверджує їх ефективність.

Щодо експертних й експертно-інформаційних систем, призначених для обробки даних, то їх розробка має значні труднощі. "Інтелектуалізація" комп'ютерної обробки первинної інформації про довкілля ґрунтується, з одного боку, на ідеях і методах конкретної області знання, для якої створюється система обробки даних; з іншого боку, у комп'ютерній системі обробки використовуються різноманітні методи прикладної математики - математичної статистики, теорії вирішення обернених задач тощо. Відповідно при створенні експертних систем обробки даних доводиться враховувати, з одного боку, методичні й метрологічні особливості методик виконання вимірювання, а з іншого - апріорні припущення й обмеження математичних алгоритмів обробки. Це передбачає участь у розробці достатньо великого колективу фахівців у предметній області, математиків, програмістів (зумовлює високу вартість розробки). Тому за наявності значної кількості систем загального призначення - пакетів для статистичної обробки даних, електронних таблиць - існує незначна кількість експертних систем, здатних автоматично провести весь цикл аналізу даних. При цьому великого значення набувають засоби для створення нового програмного забезпечення - компілятори, бібліотеки функцій, інтегровані засоби тощо. Однієї з перших задач, що опрацьовуються у рамках проблеми штучного інтелекту, до якої традиційно відносять створення експертних систем, стала комп'ютерна імітація логічного мислення людини - вирішення задач, доведення теорем тощо. Істотною відмінністю систем штучного інтелекту від звичайних програм є те, що окремі компоненти такої системи (факти, правила, цілі тощо) можуть бути доповнені чи змінені незалежно одна від одної.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Інші