Теоретические основы методологии оптимального выбора приборного оборудования при комплектации экологических вагонов-лабораторий

Аннотация

А.В. Борисова

Дата поступления статьи: 21.01.2014

Рассматриваются методологические подходы к выбору приборного  оборудования при комплектации экологического вагона-лаборатории. Предлагается методология оптимального выбора приборов, объединяющая достижения фундаментальной аналитической химии и практический опыт экоаналитических лабораторий, дополняет существующие теоретические подходы.

Ключевые слова: информационные технологии, экологический вагон-лаборатория, системный подход, экоаналитические задачи, экологический контроль, методология оптимального выбора приборного оборудования

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

Для решения задач в области экологической безопасности активно внедряются и развиваются информационные технологии, позволяющие интегрировать получаемую информацию о состоянии окружающей среды  и  осуществлять максимально полную информационную поддержку природоохранных управленческих решений [1,2,3].   При этом на первых этапах  формирования информационной системы экологического контроля и мониторинга необходимо обеспечить оперативность, полноту и достоверность получения экоинформации [4].
На железнодорожном транспорте сбор первичной информации о состоянии окружающей среды осуществляется стационарными и передвижными экологическими лабораториями [5].    Совершенствование  системы экологического контроля и мониторинга компании ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД), учитывая специфику отрасли, направлено в первую очередь на развитие потенциала передвижных лабораторий на базе пассажирских вагонов.  При этом одной из задач, требующей решения, является разработка теоретических и методологических основ оптимального выбора приборного оборудования при комплектации экологического вагона-лаборатории [6].
Для решения поставленной задачи возникает необходимость рассматривать объект исследования посредством представления его в качестве технических систем и дальнейшего анализа этих систем. Данные системы включают в себя большие объемы разнородной информации о состоянии объекта, состава загрязняющих веществ, технических средствах экоаналитического контроля, условиях их эксплуатации. Учитывая это, следует использовать теорию принятия оптимальных решений, представляющую собой совокупность математических и численных методов, ориентированных на нахождение наилучших вариантов из множества альтернатив и позволяющую избежать их полного перебора и оценок.
При этом основой принятия решений является системный подход, в  процессе которого необходимо рассматривать следующие этапы [7,8]:
1. Концептуализация, заключающаяся в систематизации объекта исследования, формулировке целей и задач в условиях неопределенности, выборе направления и определения границ объекта, его структуры и функциональных возможностей.
2.  Формализация - выражение полученной концептуальной модели в виде системы математических или иных формальных соотношений, решение задач идентификации, программную реализацию формальной модели.
3. Работа с формальной моделью, а именно аналитическое исследование, проведение экспериментов, интерпретация результатов и их применение.
Схема проведения исследований при решении экоаналитических задач с использованием системного подхода представлена на рис. 1.

Рис.1. – Системный подход при решении экоаналитических задач

На первых этапах осуществляется корректная постановка цели и формулировка задач исследования, после чего следующим шагом является анализ состояния проблемы.
Следует отметить, что решению этого вопроса посвящено не слишком много работ. В классической аналитической химии методологически первоначально следует качественный анализ вещества, на основании которого выбирается методика количественного анализа. Из чего вытекает методология решения поставленной задачи выделения у определенного компонента характерных специфических признаков, то есть физических свойств, имеющих определенную связь с концентрацией. К таким подходам относится  универсальная система химического анализа (УСХА) [9], суть которой состоит в определении химико-аналитических признаков веществ, дающих возможность оптимизировать химический анализ за счет сокращения требуемой номенклатуры приборно-методического обеспечения. Основным недостатком данного подхода является то, что решение аналитической задачи происходит только с позиции качественного анализа, при этом остается неосвещенной сторона количественной составляющей. Следует отметить и тот факт, что предлагаемый подход сложен в практической реализации применительно к объектам экологического контроля.        
Альтернативным решением аналитической задачи является выбор прибора по одному единичному параметру, при этом остальные показатели не должны являться ограничивающими [10].  Согласно данной методике, кроме выполнения функциональных задач, прибор должен отвечать требованиям, предъявляемым в соответствии с его назначением, областью применения, с учетом имеющихся ресурсов. К проблемам данного подхода следует отнести недостаточное обеспечение ранжирования параметров, т.е. систему необходимо исследовать, изменяя поочередно один из показателей в определенных пределах в целях определения реакции его на систему.
Процесс принятия решения по рациональному выбору приборов для оснащения  лабораторий  в рамках прикладной квалиметрии описан в работе [11]. Суть метода сводится к составлению квалиметрических таблиц и последующему вычислению некоторого обобщенного показателя качества аппаратуры. Данный метод позволяет оперировать максимально объективными фактами. При этом остается вероятность влияния субъективных параметров при выборе существенных характеристик  приборов и составлении исходных квалиметрических таблиц.
На основании рассмотренных подходов предлагается методология оптимального  выбора приборного оборудования. Предлагаемая методология объединяет достижения фундаментальной аналитической химии и практический опыт экоаналитических лабораторий [4,6], а также  дополняет существующие теории и содержит следующие положения.
На первых этапах методологии определяется массив экоаналитических задач, т.е. перечень показателей загрязнения окружающей среды. После чего осуществляется анализ существующих приборно-методических решений. Следующим этапом является формулировка перечня критериев оценки приборов, из которых методом экспертных оценок выбираются наиболее значимые при заданных условиях эксплуатации [4,6].
При этом критерии определяются таким образом, чтобы они могли быть так или иначе формализованы и описаны математически, допуская тем самым количественную оценку приборов по совокупности критериев.
Принимая во внимание, что критерии оценки оборудования разнонаправленные  – одни требуют максимизации, другие минимизации, для удобства формулировки их следует унифицировать, приведя к одному виду, например, требованиям максимизации показателей. Решение данной проблемы изложено в работе [6],  заключается в построении максиминной стратегии, в соответствии с которой для каждого показателя находится критический вариант.
Опираясь на предложенную методологию, разработана функциональная схема передвижного измерительно-вычислительного комплекса (ПИВЭК) экологического вагона-лаборатории [12]. В этом комплексе системно объединены экоаналитические приборы, программно-математическое обеспечение и методики проведения анализа.
За последние годы компанией ОАО «РЖД» было поставлено для экологических лабораторий более 750 единиц лабораторного и приборного оборудования. Учитывая широкий ассортимент продукции, предлагаемой приборостроительными фирмами, близкой по технико-эксплуатационным показателям, актуальной остается задача грамотного выбора средств измерений с учетом назначения и фактически выполняемых задач лаборатории.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что предложенная методология позволяет осуществлять выбор средств измерений при комплектации и последующей модернизации состава ПИВЭК экологического вагона-лаборатории с минимальными временными и финансовыми затратами.

Литература:

1.  Абрамова А.Г., Плутогаренко Н.К., Петров В.В., Маркина А.В. Системный подход к разработке городских автоматизированных систем экологического мониторинга [Электронный ресурс]//Инженерный вестник Дона», 2012, №4 (часть 2). – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1342 (доступ свободный) - Загл. с экрана. – Яз. рус.
2. Гуда А.Н., Финоченко В.А. Экоинформационные системы на железнодорожном траснпорте./А.Н. Гуда, В.А. Финоченко. – Ростов-на-Дону: РГУПС, 2008. – 179 с.
3. Miomir Raos, Ljiljana Živković, Nenad Živković, Branimir Todorović The modeling of air pollution control devices using neural networks. Working  and Living Environmental Protection Vol. 2, No 5, 2005, pp. 485-492.
4. Семенова А.В., Финоченко В.А. Системный подход при решении экоаналитических задач [Текст]// Тезисы LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», 2006. -  С. 245.
5. Viktor Finochenko. The newest ecological techniligies at rail way transport. Zel 2001 8th International Sympozium: «Railways on the Edge of the 3rd Millenium». Zilina, Slovak Respublic. pp. 320-323.
6.  Финоченко В.А., Борисова А.В. Методологические подходы к выбору экоаналитического оборудования для проведения мониторинга окружающей среды [Текст]//Экологические системы и приборы, 2011, №11. – С.47-50.
7. Горстко, А.В. Введение в прикладной системный анализ [Текст]/ А.В.Горстко, Г.А. Угольницкий. – Ростов н/Д.: РГУПС, 1994. – 83с.
8.  Бутенко, Д.В. Свойство целостности при построении функциональных структур технических систем [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона», 2013, №1. – Режим доступа:  http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1526  (доступ свободный) - Загл. с экрана. – Яз. рус.
9.  Грибов Л.А., Золотов Ю.А., Калмановский В.И., Кунин Л.Л., Лужков Ю.М., Попов А.А., Торопцов В.С. Универсальная система химического анализа [Текст]//. Журнал аналитической химии, т. XXXVII, 1982, №6. -  С.1104 – 1121.
10.  Шаевич, А.Б. Аналитическая служба как система [Текст]/ А.Б. Шаевич. – М.: Химия, 1981. – 264 с.
11. Федорович,  Г.В. Выбор аппаратуры для испытательных лабораторий [Текст] // Мир измерений. 2009, №9. -  С.32 – 40.
12.  Финоченко, В.А. Современные экоаналитические комплексы на железнодорожном транспорте [Текст]// Экологические системы и приборы, 2002,  № 3. -  С. 3–7.