Куракина Н.И., Минина А.А., Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, тел.: (812) 234-93-93, E-mail: NIKurakina@eltech.ru
Система поддержки принятия решений (СППР) по управлению водными объектами базируется на известных принципах теории управления организационно-техническими системами. Но она имеет и свои особенности, связанные с большой протяженностью и пространственной распределённостью по территории России и сопредельных государств водных, водохозяйственных и других объектов (рек, озер, каналов, водохранилищ, гидротехнических сооружений), а также со спецификой разнообразных связей и отношений между процессами и явлениями географической среды. Причем наличие информации о точном местоположении объектов, их взаимном расположении и взаимосвязи существенно влияет на качество управленческих решений, принимаемых и реализуемых на различных уровнях.
Все вышеперечисленные особенности требуют специальных подходов к построению систем поддержки принятия решений и непременного использования картографических и пространственных представлений процессов управления.
В своем естественном состоянии водный объект представляет собой экологическую систему – часть природной среды с определёнными пространственно-территориальными границами. В этой системе живые (растения, животные) и неживые (вода, земля) её элементы взаимодействуют как единое функциональное целое и связаны обменом веществ и энергией. В современных условиях водный объект – это природно-антропогенный объект, то есть природный объект, изменённый в результате хозяйственной деятельности но сохранивший многие черты природного объекта (естественной экологической системы) и имеющий при этом природоохранное и рекреационное значение.
Цель создания геоинформационной СППР по управлению водными объектами заключается в представлении классических категорий, этапов и процессов управления в единой геопространственной форме. На этой основе организуется процесс сквозной, интегральной, согласованной обработки геоинформации. Он призван обеспечить «Лицо, принимающее решения – (ЛПР)» полной, достоверной и оперативной пространственной информацией, необходимой для поддержки принятия стратегических и оперативных решений по управлению водными ресурсами на территории РФ. Эта цель достигается за счет автоматизации обработки картографических данных на основе современных геоинформационных технологий.
Для получения точной и полной оценки качества водного объекта и прилегающей к нему территории необходимо учитывать достаточное количество факторов, изменяющихся во времени, которые непосредственно описывают их состояние и по которым можно сделать выводы о загрязненности и возможности дальнейшего использования данного объекта для определенных целей [1, 2].
Таким образом, необходимо, получив разнородные данные, такие как результаты химического, гидробиологического анализов, анализа почв, результаты обследований и опросов и др., создать на их основе базы геоданных и произвести комплексное оценивание с соблюдением требований единства измерений с целью последующей интеграции, визуализации и предоставления их лицу, принимающему решения (ЛПР) [6]. ЛПР, опираясь на полученные данные, принимает решение о загрязненности водного объекта и вырабатывает дальнейшие действия по устранению причин загрязнений. Процесс управления водными объектами является циклическим и может быть представлен в виде структуры, изображенной на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная структура СППР по управлению водными объектами.
ЛПР приходится учитывать различные, иногда противоположные оценки. Поэтому говорить о существовании единственного наиболее предпочтительного варианта решения можно далеко не всегда. При этом предполагается, что ситуация принятия решения может быть достаточно сложной, распадаться на несколько подпроблем, каждая из которых может быть представлена с помощью частной оптимизированной модели. Поэтому принятие решения в сложной управленческой ситуации может пониматься как решение последовательности частных, иерархически упорядоченных оптимизированных задач.
Сопоставление и агрегация частных решений в сложной ситуации принятия решения осуществляется на высшем иерархическом уровне лицом, принимающим решение, определяющим стратегию развития объекта принятия решений.
Для того, чтобы принять оптимальное решение, необходимо:
- уяснить задачи
- оценить обстановку
- выработать решение (варианты действий)
- спланировать дальнейшие действия
- организовать выполнение плана.
Выработка и принятие управленческих решений осуществляется при постоянном изменении внешних и внутренних условий функционирования системы. Это делает необходимым использование современных методов информационного обеспечения ЛПР, таких как геоинформационные системы.
В основу геоинформационного подхода входят следующие принципы геоинформационной поддержки управления. Основной принцип состоит в необходимости обеспечения соответствия собственного пространства или формы водного объекта (области водного объекта) и геоситуации по их содержанию на этапах управления. Требования принципа – использование геоинформации как единой основы для всех этапов управления. Категории управления должны иметь территориальное выражение, представление, методы обработки геоданных и должны обеспечивать активность геоинформации в системе управления. Под активностью геоинформации понимаются такие параметры организации ее представления и использования, при которых геоинформация достигает уровня принятия решений [3]. В задачах управления различается собственно активность геоинформации и активность процессов ее использования. Геоинформация активна в том случае, когда с ее помощью для ЛПР: выделяются наиболее значимые факторы обстановки и оценки, показываются тенденции изменения этих факторов и оценок, описательные рекомендации руководящих документов получают пространственную интерпретацию и т.д. Процессы использования геоинформации становятся активными, если в результате ее обработки на электронной карте (в геопространстве) отображаются неблагоприятные для использования области водного объекта и возможные варианты улучшения сложившийся ситуации.
Рассмотрим подробнее процесс создания структуры системы поддержки принятия решений по управлению водными объектами на примере реки Нарвы. При этом возникает задача выбора адекватного описания математической модели системы и процесса обработки информации в ней.
Пусть имеется множество элементарных объектов, например, постов наблюдений, в которых берутся пробы для анализа (химического, гидробиологического, почвенного, экспертного…) P={p}. Каждый из этих объектов характеризуется вектором значений показателей Ap={Aps}, где P 
P, s S. S — множество показателей, включая координаты нахождения постов наблюдений водного объекта. Для рассматриваемого примера это могут быть результаты химического анализа воды по некоторым постам наблюдения на р. Нарва, приведенные в таблице на рис. 2.
Рис. 2. Геоинформационная система оценки качества воды р. Нарва.
Под комплексом технических средств понимается граф G(L,M), где L={l} это множество вершин, соответствующих множеству применяемых способов анализа. А M={m} множество дуг, соответствующих информационным связям между объектами (постами), то есть на какую по размеру область водного объекта могут распространяться данные о скорости течения, направлении ветра и др., полученные от одного поста наблюдения.
Для данного примера разделим водосбор реки Нарвы таким образом, чтобы в каждой части был хотя бы один пост наблюдения. Ясно, что чем больше постов наблюдения, тем точнее будет результат.
Пусть на множестве вершин и дуг графа G заданы функциональные связи между значениями показателей:
fi(l1,l2,…,lki;m1,m2,…,mvl)=0 (1)
l1 L,…lki L; m1 M,…,mvl M, i I
где I — множество функциональных связей вида (1), заданных в виде графа G. Тогда информационной моделью системы будет считаться граф G, с заданными на нем функциональными связями.
Состояние системы будет называться допустимым, если набор значений показателей Ap={Aps} для P P, s S то есть точка в фазовом пространстве B (пространстве показателей) удовлетворяет условиям (1) и
Ap={Aps}<=Aдоп= {Aps}доп, P P, s S ,
А соответствующее множество Bo— есть множество допустимых состояний.
Для рассматриваемого примера, если продолжать исследовать химический анализ, качество водного объекта следует оценивать по индексу загрязнения воды (ИЗВ), в соответствии с которым определяется класс качества воды [4]. Согласно этой характеристике возможно семь состояний качества воды: от очень чистой до чрезвычайно грязной. На этом множестве и будет основываться множество допустимых состояний Bo.
Если на множестве Bo определено отношение предпочтения R, можно говорить о выделении из Bo подмножества B* (для данного примера – это один из 7 классов качества) недоминируемых по B состояний, в частности, единственного наиболее предпочтительного b* (значение, полученное при расчете ИЗВ):
B*={b*? b* Bo, 
b Bo : bRb* } (2)
или
Ko : B* = Fo( B*) (3)
где Ko — задача нахождения допустимого в смысле (2) состояния b* (для данного примера – это выбор, в зависимости от ИЗВ, одного из 7 классов качества воды). Состояние b* является решением задачи Bo.
Пусть функция выбора Fy реализуется на множестве ЛПР W={w}. При этом решение задачи Ko требует ее разбиения на частные подзадачи Kj (пример такой частной подзадачи и рассмотрен выше). И функция выбора может заключаться, например, в отыскании наиболее благоприятных менее загрязненных участков водных объектов для создания пляжей, баз отдыха и т.п., или же в отыскании наиболее загрязненных участков с целью выявления наиболее опасных загрязнителей и организации мероприятий по ликвидации ситуации [5].
Рис. 3. Определение класса качества воды.
Рис. 4. Структура принятия управленческих решений.
Рис. 5. Геоинформационная СППР управления водными объектами.
Для выработки решения, ЛПР необходимо предварительно оценить обстановку по полученным об объекте данным, чтобы выделить участки водных объектов, представляющие наибольший интерес. Все необходимые данные для оценки качества водного объекта отображаются на карте. За каждым постом наблюдения на водном объекте закреплены результаты исследований, характеристики качества воды, полученные путем обработки результатов различных методов анализа. Также в наличии имеется база с характеристиками предприятий: уровни сброса вредных веществ, величины водопотребления, водоотведения и др.
По полученным данным необходимо определить наиболее загрязненные участки водного объекта и выявить преобладающие факторы загрязнений, источники этих загрязнений (предприятия, расположенные на р. Нарве, и уровни сброса вредных веществ) и принять необходимые меры по ликвидации этих загрязнений и загрязняющих факторов (рис. 2). После этого, опираясь на полученный опыт, ЛПР проведёт корректировку действующего плана и (или) разработает новые планы. Вышеописанный процесс принятия управленческих решений можно представить в виде некоторой упорядоченной структуры, представленной на рис. 4.
Таким образом, отображая пространственные и содержательные параметры объектов, их характеристики и взаимосвязи, строятся геоинформационные системы поддержки принятия решений по управлению водными объектами.
ГИС, как системы управления, предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению водными объектами. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные.
Геоинформационная СППР управления водными объектами показана на рис. 5. Здесь важно отметить, что ЛПР дает управляющие рекомендации, опираясь на результаты контроля состояния водного объекта, данных об уровнях сброса предприятия и другие показатели, постоянно изменяющиеся во времени. Все эти изменения отражаются в ГИС, что и позволяет ЛПР принять оптимальное на данный момент решение.
Система оценок реализуется в виде законченных АРМ специалиста, что позволяет в зависимости от целевой функции анализа и решаемых задач изменять конфигурацию СППР. В ГИС объединяется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого, ГИС предоставляют мощные средства преобразования и синтеза разнообразной информации для задач управления.
Литература
1. Алексеев В.В., Куракина Н.И. ИИС мониторинга. Вопросы комплексной оценки состояния ОПС на базе ГИС // журнал ГИС-Обозрение.-2000.-№19.
2. Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Куракина Н.И. Вопросы обеспечения единства измерений при формировании комплексных оценок // Сборник трудов Международного симпозиума «Надежность и качество 2005». — Пенза 2005.
3. Биденко С.И., Комарицын А.А., Яшин А.И. Геоинформационная система поддержки принятия решений // из-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб., 2004
4. Куракина Н.И., Емельянова В.Н., Коробейников С.А., Никанорова Е.С., Оценка качества и пространственное моделирование загрязнения водных объектов на ГИС основе // журнал ArcReview.-2006.-№1(36).
5. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Орлова Н.В., Геоинформационная система мониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки // журнал ArcReview.-2006.-№1(36).
6. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В., ГИС комплексной оценки состояния окружающей природной среды // журнал ArcReview.-2007.-№1(40).
