Цели и задачи учебной дисциплины

Цель изучения дисциплины – подготовка в области методологии системного анализа, приобретение навыков ее применения для решения практических задач в области охраны окружающей среды.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

- показать возможности и области применения системного анализа, моделирования и моделей систем;

- изучить основные этапы системного анализа;

- ознакомить с процедурами и методиками, используемыми в системном анализе;

- ознакомить с этапами создания математических моделей, их тестированием (верификацией), планированием компьютерного эксперимента;

- получить навыки работы с имитационными моделями.

Требования к уровню освоения содержания учебной дисциплины

В результате изучения дисциплины студент должен

знать:

– основные свойства систем и их классификацию;

– содержание основных этапов системного анализа;

–принципы построения моделей, используемых для прогнозирования изменения состояния компонентов окружающей среды, экосистем и эколого-экономических систем;

– способы выявления (определения) входных и выходных переменных для анализируемых систем;

–основные модели, используемые в оценке воздействия на окружающую среду, природоохранном проектировании;

– методы поиска оптимального решения.

уметь:

– использовать системный подход в определении воздействий на окружающую среду;

–составлять простейшие модели для прогнозирования распространения загрязняющих веществ в объектах окружающей среды;

– использовать известные математические модели для прогнозирования воздействия на окружающую среду;

– организовывать экспертное оценивание для решения практических задач в области охраны окружающей среды и оценивать согласованность мнений экспертов;

- использовать модели, позволяющие прогнозировать воздействие производственных объектов на окружающую среду;

– решать оптимизационные задачи.

1. Программа дисциплины

Раздел 1. Системный анализ и системный подход. Предмет, методы, история

1.1. Предпосылки возникновения системного анализа. Характеристика системного анализа (системного подхода). Системный анализ и проблемы принятия решений.

1.2. Общая характеристика систем. Примеры систем. Основные системные понятия:  «элемент системы», «надсистема», «подсистема». Система и внешняя (окружающая) среда. Особенности поведения сложных систем.

1.3. Круг задач, решаемых в охране окружающей среды с использованием системного анализа. Системный анализ в оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) и природоохранном планировании и проектировании.

1.4. Этапы системного анализа. Формулировка проблемы, определение цели и постановка задач исследования, установление иерархии целей и задач, структуризация системы, построение модели, планирование эксперимента, компьютерный эксперимент, анализ результатов эксперимента, формулирование и документирование результатов анализа и их использование.

1.5. Модели и моделирование. Классификация и типы моделей. Возможности и ограничения применения традиционных методов моделирования и прогнозирования к исследованию поведения сложных систем.

1.6. Требования к модели. Этапы построения модели. Построение концептуальной модели системы. Факторная и знаковая (математическая модель). Компьютерная модель. Анализ полученной модели, верификация (проверка на адекватность) модели. Работа с моделью (компьютерный эксперимент).

2. математические Методы и инструменты

системного анализа

2.1.Имитационные модели. Основные подходы к созданию имитационных моделей. Языки моделирования и компьютерные программы имитационного моделирования.

Системно-динамическое моделирование. Принципы системной динамики, системная диаграмма. Уровни и темпы. Дискретно-событийное моделирование. Графический интерфейс и анимации в имитационном моделировании.

2.2. Решение задач оптимизации. Методы поиска оптимального решения при оптимизационном моделировании. Пакеты прикладных программ для решения задач оптимизации. Целевая функция.

2.3. Кибернетические модели с обратной связью. Модель черного ящика. Обратные связи в системах и моделях. Естественные запаздывания в экологических и природно-промышленных системах.

2.4.Эмпирические модели. Построение модели первого порядка методом наименьших квадратов.

2.5. Метод Монте-Карло. Общая характеристика метода. Трудоемкость алгоритма Монте-Карло. Примеры использования.

2.6. Корреляционный анализ. Общая характеристика и область применения. Расчет коэффициентов корреляции для переменных, измеренных в различных шкалах.

2.7. Метод экспертных оценок. Общая характеристика. Выбор экспертов. Организация опроса экспертов. Метод Дельфи. Анкетирование. Интервью. Мозговой штурм. Дискуссия. Методы измерений, используемые при экспертном оценивании. Ранжирование. Парное сравнение. Непосредственная оценка. Оценка согласованности мнений экспертов. Дисперсионный и энтропийный коэффициенты конкордации. Коэффициент корреляции рангов Спирмена. Коэффициент ранговой корреляции Кенделла.

2.8. Исследование операций. Общая характеристика и область применения. Математический аппарат исследования операций (линейное программирование, симплексный метод, теория игр, целочисленное линейное программирование, динамическое программирование, сетевые модели, нелинейное программирование, основы теории массового обслуживания и др.).

2.9. Распознавание образов. Корреляционное сравнение, равнение по особым точкам, сравнение по узору. Эвристические и стохастические методы в распознавании образов. Алгоритм идентификации источников загрязнения атмосферного воздуха с помощью метода распознавания образов. Выявление виновника несанкционированного загрязнения.

3. Анализ и моделирование эколого-экономических систем

3.1. Римский клуб, его история, проекты. Модели мировой системы. Развитие моделей мировой системы и их применение. Системный анализ мировой эколого-экономической системы. Стандартная модель мировой системы. Стабилизированная модель мировой системы. Модель мира с неограниченными ресурсами. Основные показатели, рассматриваемые в моделях мировой системы. Результаты глобального моделирования

3.2. Анализ и моделирование региональных эколого-экономических систем. Подсистемы региона. Программный комплекс по созданию модели региона. Функции системы регионального моделирования. Экономические, экологические и социальные индексы в моделировании региона

4. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В КОМПОНЕНТАХ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

4.1. Моделирование распространения и аккумуляции загрязняющих веществ в почвах. Входные, выходные переменные и граничные условия моделей. Типы моделей трансформации и миграции загрязняющих веществ в почвах. почве. Моделирование процессов трансформации загрязняющих веществ в почвах. Моделирование выпадения загрязняющих веществ из атмосферы. Программа и модели ЕМЕР. Практическое применение моделей.

4.2. Системный анализ и моделирование процессов, протекающих в атмосфере

4.2.1. Прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха. Задачи прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха. Классификация прогнозов загрязнения воздуха.

4.2.2. Моделирование процессов переноса и рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Модели рассеивания загрязняющих веществ для региона, населенного пункта. Прогнозирование концентраций загрязняющих веществ при обосновании нормативов допустимых выбросов.

4.2.3. Модели, используемые при исследовании химических процессов, протекающих в атмосфере. Моделирование фотохимических процессов в тропосфере.

4.2.4. Прогнозирование изменения климата. Модели общей циркуляции атмосферы и их чувствительность к изменению содержания парниковых газов. Глобальные климатические модели. Положительные и отрицательные обратные связи в моделировании климата. Прогнозы изменения климата и их использование.

4.3. Моделирование водных экосистем и процессов, протекающих в поверхностных и подземных водах. Входные, выходные переменные и граничные условия моделей. Модели водных экосистем. Балансовые модели водных объектов. Геофильтрационные модели. Практическое применение моделей водных объектов и процессов в поверхностных и подземных водах.

3. Системный анализ и моделирование в природоохранном проектировании и оценке воздействия на окружающую среду

6.1. Системный анализ в оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС). Выявление воздействий, оценка величины воздействий. Сравнение возможных вариантов проектных решений по воздействию на окружающую среду.

Геоинформационные системы в ОВОС.

6.2. Проектирование схем комплексной территориальной организации, генеральных планов

Использование системного анализа при выборе места размещения производственных объектов, проектировании генеральных планов предприятий. Оптимизация транспортных потоков в территориально-промышленных комплексах.

6.3. Системный анализ и моделирование процессов очистки и обезвреживания выбросов и сбросов

4.4. Системный анализ и моделирование химико-технологических процессов. Математические модели основных химико-технологических процессов. Решение задач оптимизации применительно к химико-технологическим процессам.

4.5. Моделирование процессов очистки сточных вод и газовоздушных выбросов.. Входные, выходные переменные и граничные условия моделей. Область применения моделей. Моделирование биологической очистки сточных вод. Модели серии ASM. Особенности моделирование пылегазоочистного оборудования.